sid.inpe.br/mtc-m19/2013/02.17.20.42-TDI
O RADIOTELESCÓPIO GEM: UMA NOVA
CONFIGURAÇÃO PARA MEDIR A POTÊNCIA TOTAL
E A POLARIZAÇÃO DA EMISSÃO DO CONTÍNUO EM
5 GHz
André Luis Boaventura
Dissertação de Mestrado do Curso
de Pós-Graduação em Astrofı́sica,
orientada pelo Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza , aprovada
em 04 de março de 2013.
URL do documento original:
<http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/3DJ8TT2>
INPE
São José dos Campos
2013
PUBLICADO POR:
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sid.inpe.br/mtc-m19/2013/02.17.20.42-TDI
O RADIOTELESCÓPIO GEM: UMA NOVA
CONFIGURAÇÃO PARA MEDIR A POTÊNCIA TOTAL
E A POLARIZAÇÃO DA EMISSÃO DO CONTÍNUO EM
5 GHz
André Luis Boaventura
Dissertação de Mestrado do Curso
de Pós-Graduação em Astrofı́sica,
orientada pelo Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza , aprovada
em 04 de março de 2013.
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INPE
São José dos Campos
2013
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
B63r
Boaventura André Luis.
O radiotelescópio GEM: uma nova configuração para medir
a potência total e a polarização da emissão do contı́nuo em 5
GHz / André Luis Boaventura. – São José dos Campos : INPE,
2013.
xxii + 86 p. ; (sid.inpe.br/mtc-m19/2013/02.17.20.42-TDI)
Dissertação (Mestrado em Astrofı́sica) – Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2013.
Orientador : Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza.
1. cosmologia observacional 2. receptor 3. rádio 4. emissão galáctica 5. instrumentação.. I.Tı́tulo.
CDU 524.82
c 2013 do MCT/INPE. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida, armaCopyright zenada em um sistema de recuperação, ou transmitida sob qualquer forma ou por qualquer meio,
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recording, microfilming, or otherwise, without written permission from INPE, with the exception
of any material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer
system, for exclusive use of the reader of the work.
ii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus e às famı́lias que Ele me deu, refiro-me à famı́lia biológica e JunJie
da qual sou imensamente grato àquela famı́lia que o autor da vida permitiu eu
escolher, isto é, meus amigos, em especial: Lânia, Nathália Lopes, Eduardo, Genildo,
Evandro, Kauê, Gleidson (o Mineiro), Jules e Roberto.
Agradeço ao INPE e seus colaboradores da Divisão de Astrofı́sica (Alan, Reitano,
Cesar, Edinho, Jorge e Valéria), do Laboratório de Plasma em especial Alice e Edson,
do Laboratório de Integração e Teste (Rose) e ao pessoal do INPE de Cachoeira
Paulista.
O INPE proporcionou, além do conhecimento cientı́fico, uma oportunidade de conviver com pessoas de alto padrão intelectual, tais como: Márcio, Marcela, Henrique,
Camila, Tereza, Karlene, Léo, Elvis, Luiz, Diego, Teodora, Lilian, Patrı́cia e Carol.
Agradeço ao meu orientador Alex e colaboradores externos (Ivan, Miguel, Thyrso,
Camilo, Flávio, Roberto, Bruno) e a agência de fomenento CAPES.
v
RESUMO
Este trabalho apresenta uma nova configuração para o sistema do radiotelescópio do
Projeto Galactic Emission Mapping (GEM) instalado no campus do INPE em Cachoeira Paulista/SP. As melhorias implementadas visam à eficiência do radiômetro
para obter medidas da potência total e à componente difusa da emissão Galáctica do
contı́nuo em 5 GHz com o objetivo de extrair o componente sı́ncrotron da emissão
Galáctica. Inicialmente apresentaremos uma revisão dos processos de emissão Galáctica e das campanhas já realizadas pelo Projeto GEM. Em seguida nós descreveremos
a nova configuração do radiômetro que consiste nas seguintes implementações: sistema de vácuo, sistema de refrigeração ativa e canal de potência total. Os resultados
são satisfatórios, sendo eles: 1) sistema de vácuo dimensionado (primeiro estágio)
e superdimensionado (segundo estágio) permitindo que o mesmo sistema de vácuo
possa ser usado em outro projeto, como exemplo, o futuro receptor em 10 GHz; 2)
o sistema de refrigeração ativa (cryocooler, operando por volta de 77 K), durante
todos os testes realizados e por 24 horas consecutivas; 3) o canal de potência total
implementado a partir da associação em série de amplificadores operacionais com
ganho unitário na configuração de soma. Apresentaremos um estudo para cada implementação e um capı́tulo descrevendo as atividades realizadas em campo, isto é,
limpeza da antena, revisão elétrica, montagem experimental e teste dos canais e
comunicação. Por fim, apresentaremos as discussões relevantes para melhorias do
projeto e as conclusões deste trabalho.
vii
ABSTRACT
The radiotelescope gem: a new configuration for measuring the total power and bias
in the issuance of continuous 5 ghz. This work presents a new configuration for the
system of radiotelescope of GEM Project (Galactic Emission Mapping) installed in
the INPE Cachoeira Paulista/SP campus. The improvements implemented aim for
the eficiency of radiometer in order to obtain measures of total power and of continual polarization in 5 GHz with the objective to extract the syncrontron component
of the Galactic emission. Initially, were going to present a revision of the process
of Galactic emission and campaigns already realized by GEM Project. Next we will
describe the new configuration of radiometer that consist in the following implementations: vacuum system, active refrigeration system and channel of total power. The
results are satisfactory, which are: 1) dimensioned (first stage) and superdimensioned
(second stage) vacuum system allowing that the same vacuum system can be used
in another project, for example, future receiver in 10 GHz; 2) active refrigeration
system (cryocooler) during all tests realized and for consecutive 24 hours; 3) channel
of total power was obtained using association in series of operational amplifiers of
unitary gain in sum configuration. Were going to present a case study for each implementation and a chapter describing the realized activities in the field, which is ,
cleaning of the antenna, electric revision, experimental assembly and the test of the
channels and communication. Lastly, were going to present the relevant discussions
for improvement of the project and the conclusion this work.
ix
LISTA DE FIGURAS
Pág.
2.1
Combinação do movimento retilı́neo uniforme com movimento curvilı́neo
resultando no movimento helicoidal da partı́cula carregada em um campo
magnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Cone de radiação para partı́cula relativı́stica com largura ∼ 1/γ. . . . .
2.3 Radiação emitida por partı́culas relativı́sticas. Segmento da trajetória da
partı́cula do movimento helicoidal e os cones de emissão. . . . . . . . .
2.4 Contribuição dos harmônicos da frequência fundamental causando o estreitamento no espectro tornando-o próximo do contı́nuo. . . . . . . . .
2.5 Decomposição do vetor de polarização da emissão sı́ncrotron no plano do
céu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Rotação do eixo x e y do vetor campo elétrico através do ângulo χ (para
o caso da polarização elı́ptica). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Elétron (com carga e) deslocando em linha reta acima do ı́on com carga
Z com parâmetro de impacto b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Fórmulas analı́ticas aproximadas para o fator de Gaunt médio (g B ). As
regiões em azul refere-se a grande ângulo de espalhamento e as demais
para pequenos ângulos. As regiões indicadas com P.I indica Princı́pio da
Incerteza e que o modelo clássico não e válido e Ry=13,6 eV é a unidade
de energia em Rydberg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Interação da luz não polarizada com a poeira. . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Emissão de poeira: emissão térmica e emissão anômala. Apresenta também o modo de polarização EE e BB para a RCF (Radiação Cósmica de
Fundo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
.
6
.
7
.
8
.
9
. 10
. 12
. 13
. 15
3.1
3.2
3.3
Mapa preliminar do parâmetro de Stokes Q em 5 GHz. . . . . .
Mapa preliminar do parâmetro de Stokes U em 5 GHz. . . . . .
Mapa preliminar da intensidade total da emissão Galáctica em
em coordenadas galácticas e na projeção de Mollwelide. . . . .
4.1
4.2
a) interior da antena; b) detalhe da corrugação na parte interior da corneta. 21
Esquema da configuração Cassegrain do projeto GEM para campanha
em 5 GHz, onde 1) radiação provinda do céu, 2) sub-refletor, 3) refletor
primário, 4) abertura da corneta corrugada, 5) antena. . . . . . . . . . . 22
a) vista do refletor primário (maior); b) secundário (menor), tripé e corneta coberta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3
xi
.
.
5
.
.
.
. . . . 19
. . . . 19
GHz
. . . . 20
4.4
4.5
Movimento azimutal do radiotelescópio. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Descrição do OMT: 1) flange no guia de onda circular, 2) transição entre
os guias circular e quadrado, 3) flange entre os guias quadrados, 4) guia
de onda quadrado, 5) pinos de suporte do septum, 6) transição suave
entre o guia quadrado e o retangular, 7) guia de onda com curvatura no
plano H, 8) idem, 9) flange, 10) guia de onda retangular acoplado por
uma fenda ao guia quadrado, 11) parede móvel que permite o ajuste do
casamento de impedância, 12) flange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 Esquema do radiômetro para campanha prevista para 2013: 1) corneta,
2) calibrador, 3) OMT, 4) amplificador criogênico FET, 5) filtro, 6) amplificador, 7) defasadores, 8) acoplador hı́brido, 9) diodo quadrático, 10)
splitter+filtro, 11) somador, 12) multiplexador (demodulação, interação
e digitalização), 13) PC-industrial, 14) notebook de controle. . . . . . . .
4.7 Vistas do interior do vaso criogênico em que: 1) dedo frio e cabo do sensor de temperatura, 2) suporte para amplificadores e sensores, 3) amplificador, 4) cabos semirrı́gidos com conectores SMAs e sensor de temperatura.
4.8 Descrição do circuito de rádio-frequência (bloco de eletrônica aberto na
bancada): 1) entrada do sinal, 2) filtro tubular, 3) amplificador, 4) splitter, 5) saı́da para canal de potência total, 6) defasadores, 7) acoplador
hı́brido, 8) diodo quadrático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9 Esquema do radiômetro utilizado na campanha do GEM 2007/08. . . . .
4.10 Diagrama de ligação de todos elementos do aparato instrumental. O significado da numeração é apresentado na tabela 4.3. . . . . . . . . . . . .
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
a) simbologia de um amp-op, b) posição da simbologia em um CI onde
os pinos são: 1) off-set (em geral é conectado a um resistor variável para
ajustar e equilibrar as tensões da entrada), 2) entrada inversora (entrada negativa), 3) entrada não-inversora (entrada positiva), 4) alimentação elétrica negativa, 5) off-set (similar ao pino 1), 6) sinal de saı́da, 7)
alimentação elétrica positiva e 8) não conectado. . . . . . . . . . . . .
a) inserção de sinais na entrada do amp-op, b) sinal de saı́da V0 para um
amp-op ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a) Amplificador operacional inversor, b) amplificador operacional nãoinversor, ambos casos com resistor de alimentação Rf . . . . . . . . . .
a) circuito equivalente A.C. para um amp-op ideal, b) redesenhando circuito (a) e desconsiderando R1 e inserindo as fontes A.C. . . . . . . . .
a) Circuito somador para n elementos, b) circuito equivalente A.C. . .
xii
24
24
25
26
27
30
32
. 33
. 34
. 35
. 36
. 37
5.6
5.7
5.8
5.9
6.1
6.2
6.3
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
Circuito com amp-op e capacitor formando a configuração da função de
integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito A.C. equivalente com amp-op integrador. . . . . . . . . . . . .
Circuito com amp-op diferenciador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito somador implementado para obter o canal de potência total do
projeto GEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 38
. 38
. 39
. 40
Diagrama de processo do sistema de vácuo, onde 1) unidade de bombeamento, 2) tubo sanfonado, 3) válvula angular flangeada de fechamento
rápido, 4) manômetro (PT = Pressure Transmissor), 5) tampão simples
com solda, 6) câmera (vaso criogênico) e o item 7 representa conexão
flangeada KF-40 com vedação de anel de viton e presilha. . . . . . . . . . 44
Unidade de bombeamento do sistema de vácuo para o projeto GEM,
onde 1) bomba mecânica de vácuo e 2) bomba turbo-molecular. . . . . . 44
Diagrama de uma tubulação circular com secção transversal (vista AA)
de diâmetro D pela qual passa um fluxo de gás Q. . . . . . . . . . . . . 45
Diagrama de processo da primeira configuração do sistema de vácuo,
onde 1) bomba de vácuo, 2) tubo sanfonado (bellow), 3) válvula linear mecânica roscada, 4) manômetro (PT = Pressure Transmissor) 5)
ventoinha, 6)cryocooler, 7) sensor de temperatura (TT = Temperature
Transmissor), 8) vaso criogênico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a) válvula angular flangeada de fechamento rápido; b) vista lateral do
vaso criogênico na qual a seta indica a posição da usinagem e soldagem
do tampão simples na tubulação do vaso. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teste realizado no LAP/INPE com o detector de He. . . . . . . . . . . .
Diagrama de processo da segunda configuração do sistema de vácuo,
onde 1) unidade de bombeamento, 2) tubo sanfonado (bellow), 3) válvula
angular flangeada de fechamento rápido, 4) manômetro (PT = Pressure
Transmissor), 5) ventoinha, 6)cryocooler, 7) sensor de temperatura (TT
= Temperature Transmissor), 8) vaso criogênico, 9) tampão simples com
solda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curva de queda de temperatura no estágio criogênico. . . . . . . . . . . .
Sinal A e média do sinal (reta azul) da série temporal com 5000 pontos
experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinal B e média do sinal (reta azul) da série temporal com 5000 pontos
experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Comparação entre os sinais A (em preto) e B (em azul). . . . . . . . . .
Sinal de potência total da série temporal com 5000 pontos experimentais.
xiii
56
56
57
58
59
60
60
61
61
7.10 Medidas da temperatura do diodo criogênico e média da temperatura
(linha azul) ao longo de toda a série temporal que te 5000 pontos experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.11 Temperatura do bloco de eletrônica, face A (em preto) e B (em azul), da
série temporal com 5000 pontos experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
8.13
Quatro momentos da limpeza da antena no INPE em Cachoeira Paulista.
Imagem da caixa da disjuntores onde: 1) conexão serial RS232, 2) disjuntor de alimentação do motor de azimute, 3) disjuntor de alimentação
do motor de elevação, 4) disjuntor de alimentação da caixa de aquisição.
a) projeto do hub com receptor e braço/base da antena; b) estrutura da
antena e no centro da dela o hub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Imagem do interior do hub com o banco de alumı́nio (adaptador) fixado
no eixo central da antena. A seta vermelha indica o pino de referência
escolhido para esta configuração e a seta azul indica o pino central com
rosca responsável pela fixação do receptor no banco. . . . . . . . . . . . .
a) tampa de encaixe e as setas indicam a posição dos pinos de engate
rápido; b) parte da corneta com cilindro sobressalente e corneta. . . . . .
Arranjo instrumental na base da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinal A, em Volts, com 500 integrações. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinal B, em Volts, com 500 integrações. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperatura do sensor criogênico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturas no bloco de eletrônica, face A (em preto) e face B (em azul).
Diagrama de blocos para operação da nova configuração do experimento
GEM em campo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Acompanhamento simultâneo dos dados via LabView. . . . . . . . . . . .
Algoritmo desenvolvido em IDL para redução de dados do experimento
GEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xiv
64
64
65
66
67
68
69
70
70
71
72
73
73
LISTA DE TABELAS
Pág.
4.1
4.2
4.3
Propriedades ópticas da antena do radiotelescópio GEM. . . . . . . . . . 23
Descrição do frame para nova configuração do receptor do projeto GEM. 29
Numeração dos cabos do diagrama de ligação do experimento GEM: . . . 31
6.1
Classificação da pressão residual (em torr) . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
xv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RCM
GEM
OMT
v
τ
θ
Θ
G
Gi
FET
Tamb
S
Samb
SN L
TR
Y
TA
TA,atm
TA,sol
TA,Lua
TA,solo
TA,EG
TA,RCF
TA,GAL
TA,IRF
TA,ant
SA1
SA2
∆φ
Tsistema
Tcabos
TOM T
Tampl1
Tampl2
Tsplitter
Tf iltro
Tdef asador
Tambiente
Gtotal
GOM T
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Radiação Cósmica de Fundo.
Galactic Emission Mapping.
Transdutor de Modo Ortogonal.
Velocidade de azimute (rpm).
Tempo de integração (s).
Largura meia altura do feixe .
Ângulo de apontamento.
Ganho.
Ganho de cada amplificador.
Field-effect transistor.
Temperatura ambiente.
Saı́da (voltagem).
Saı́da da carga de teste com temperatura ambiente.
Saı́da da carga de teste comtemperatura de Nitrogênio lı́quido.
Temperatura de ruı́do do receptor.
Razão entre (Samb /SN L ).
Temperatura de antena.
Temperatura relativa da emissão atmosférica.
Temperatura relativa do Sol.
Temperatura relativa da Lua.
Temperatura relativa do solo.
Temperatura relativa da emissão extragaláctica.
Temperatura relativa da radiação cósmica de fundo.
Temperatura relativa da emissão Galáctica.
Temperatura relativa dos sinais de interferência em rádio-frequência.
Temperatura emissividade caracterı́stica do refletor e alimentador.
Sinal de saı́da do primeiro amplificador com temperatura ambiente.
Sinal de saı́da do segundo amplificador com temperatura ambiente.
Diferença de fase.
Temperatura do sistema.
Temperatura dos cabos.
Temperatura do OMT.
Temperatura do amplificador criogênico.
Temperatura do amplificador do bloco de eletrônica.
Temperatura do splitter.
Temperatura do filtro.
Temperatura do defasador.
Temperatura do ambiente.
Ganho total.
Ganho do OMT.
xvii
Gampl1
Gampl2
Gf iltro
Gsplitter
Gdef asador
Gacoplador
Qa
CAq
Uλ
σd
vg
Eg
Td
σStef an−Boltzmann
µ
ω
P
AGNs
e
v
Z
b
τc
c
m
ne
ni
bmin
∆v
∆x
∆p
h
π
gf f (v, ω)
k
gB
~
E
~
B
γ
~ak = 0
~a⊥
~vk
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Ganho dos amplificadores da primeira cadeia de rádio-frequência.
Ganho dos amplificadores da segunda cadeia de rádio-frequência.
Ganho do filtro tubular.
Ganho do splitter.
Ganho do defasador.
Ganho do acoplador.
Fator de eficiência para absorção (grão de poeira).
Caixa de aquisição
Densidade de energia do campo de radiação.
Seção de choque relativa do grão de poeira.
Velocidade média do grão de poeira.
Energia média ganhada pelos grãos de poeira.
Temperatura da poeira.
Constante de Stefan-Boltzmann.
Momento de dipolo elétrico.
Frequência de rotação.
Potência.
Núcleos ativos de galáxias.
Carga elementar do elétron.
Velocidade.
Carga- ı́on.
Parâmetro de impacto.
Tempo de interação (colisão).
Velocidade da luz.
Massa do elétron.
Densidade eletrônica.
Densidade iônica.
Bmax ≡ ωv .
Variação da velocidade.
Variação do espaço.
Variação do momento.
Constante de Planck.
Constante 3,14.
Fator de Gaunt.
Constante Boltzmann.
Valor médio do fator de Gaunt.
Campo elétrico.
Campo magnético.
Fator de Lorentz .
Aceleração paralela.
Aceleração perpendicular.
Velocidade paralela.
xviii
~v⊥
σT
UB
βs
Pk
P⊥
Ip
IQ
hSi
Q
U
V
Qa
Uλ
σd
vg
Eg
βrelat
βb
βd
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Velocidade perpendicular.
Seção de choque de Thomson.
Densidade de energia magnética.
Índice espectral para emissão sı́ncrotron.
Projeção paralela do campo magnético no plano do céu.
Projeção perpendicular do campo magnético no plano do céu.
Intensidade polarizada.
Intensidade total.
Grau de Polarização.
Vetor de Poynting.
Parâmetro de Sotkes.
Parâmetro de Sotkes.
Parâmetro de Sotkesv.
Fator de eficiência para absorção.
Densidade de energia do campo de radiação.
Seção de choque relativa do grão de poeira.
Velocidade média do grão de poeira .
Energia média ganha pelos grãos durante a colisão.
Paramêtro relativı́stico.
Índice espectral para emissão bremsstrahlung.
Índice espectral para emissão de poeira.
xix
SUMÁRIO
Pág.
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2 EMISSÃO GALÁCTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1
Emissão Galáctica Sı́ncrotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.1
Radiação Sı́ncrotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.2
Potência e Intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.3
Espectro e polarização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Emissão Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1
Emissão a partir de elétrons com única velocidade . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2
Bremsstrahlung térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3
Emissão por poeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1
Emissão térmica por poeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2
Emissão anômala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Projeto GEM: motivação e campanhas realizadas . . . . . . . . .
17
3.1
Motivação inicial do Projeto GEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2
Campanhas observacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1
Experimento para medir o brilho total do céu em 1465 MHz . . . . . . 17
3.2.2
Experimento para medir o brilho total do céu em 408 MHz . . . . . . . 18
3.2.3
Experimento para medir o brilho total do céu em 2,3 GHz . . . . . . . 18
3.2.4
Experimento para medir o brilho total do céu em 5 GHz . . . . . . . . 18
4 PROJETO GEM - RECEPTOR PREPARADO PARA A CAMPANHA 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.1
A antena do projeto GEM em 5 GHz
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2
O receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1
O primeiro estágio de amplificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.2
O segundo estágio de amplificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3
Diagrama de ligação de todos elementos do aparato instrumental
. . . . 30
5 CANAL DE POTÊNCIA TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.1
Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2
Amplificador operacional com a função de soma. . . . . . . . . . . . . . 35
xxi
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Amplificador operacional com a função de integral . . . . . .
Amplificador operacional com a função derivável . . . . . .
Análise do sinal do canal de potência total . . . . . . . . . .
Análise do canal de potência total no sistema implementado
Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
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6 SISTEMA DE VÁCUO E RESFRIAMENTO ATIVO . . . . .
6.1 Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Dedução de parâmetros fı́sicos do sistema de vácuo . . . . . . . . . .
6.3 Análise dos parâmetros de vácuo aplicado no sistema implementado.
6.3.1 Vácuo primário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Vácuo secundário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Conclusão do Estudo de Caso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
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.
.
.
7 TESTES DE BANCADA
7.1 Sistema de vácuo . . . . . .
7.2 Sistema criogênico . . . . .
7.3 Sistema de aquisição, leitura
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
dos sensores e amplificadores
8 TRABALHO DE CAMPO . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Revisão do radiotelescópio . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2 Montagem do aparato instrumental . . . . . . . . . . .
8.2.1 Montagem do aparato instrumental . . . . . . . . . .
8.2.2 Procedimentos externos . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3 Procedimentos na base da antena . . . . . . . . . . . .
8.3 Teste de calibração na antena . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Operação do projeto em campo . . . . . . . . . . . . . .
8.5 Análise dos dados pelo LabView e IDL . . . . . . . . . .
.
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37
39
39
40
40
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43
43
45
50
51
52
53
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. 55
. . 55
. . 58
. . 59
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63
63
65
65
67
68
68
70
72
9 RESULTADOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
10 DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
11 CONCLUSÕES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
APÊNDICE A - Rotina para redução de dados . . . . . . . . . . . .
85
xxii
1 INTRODUÇÃO
Neste trabalho apresentaremos as implementações realizadas no receptor em 5 GHz
do Projeto Galactic Emission Mapping (GEM) desenvolvido pelo Grupo de Cosmologia da Divisão de Astrofı́sica do INPE de São José dos Campos - SP (FERREIRA, 2009a). As implementações realizadas foram: sistema de vácuo, sistema de
refrigeração ativa e o canal de potência total.
Esta dissertação foi dividida em três partes, sendo elas:
- primeira parte (capı́tulos 2 e 3): apresenta uma revisão teórica dos conceitos dos
processos radiativos de emissão Galáctica (sı́ncrotron, bremsstrahlung, poeira e emissão anômala) e uma revisão das campanhas anteriores realizadas com o radiotelescópio do Projeto GEM.
- segunda parte (capı́tulos 4 ao 6): apresenta o receptor e as mudanças implementas
para operação em 2013, além de um estudo de caso para cada implementação.
- terceira parte (capı́tulos 7 ao 11): apresenta os resultados dos testes realizados em
bancada no laboratório da Divisão de Astrofı́sica (DAS/INPE) e no Laboratório de
Plasma (LAP/INPE), o trabalho de campo desenvolvido, conclusões e expectativas
futuras.
1
2 EMISSÃO GALÁCTICA
Neste capı́tulo apresentaremos uma revisão dos processos de emissão: sı́ncrotron,
bremsstrahlung, poeira e emissão anômala.
As motivações para o estudo da emissão Galáctica são: entender o mecanismo de
emissão, a distribuição do campo magnético, as partı́culas que compõem o meio
interestelar, os mecanismos de processos radiativos, a polarização da emissão Galáctica e produzir mapas das componentes que contaminam a RCF (Radiação Cósmica
de Fundo) (BOCK et al., 2006).
2.1
Emissão Galáctica Sı́ncrotron
Uma carga carregada eletricamente e acelerada em um campo magnético emite radiação eletromagnética (JACKSON, 1998). Para o caso não relativı́stico a radiação
emitida é denominada de radiação cı́clotron e a frequência de emissão é a frequência
de rotação no campo magnético (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979). Por outro lado, para
o caso relativı́stico, a emissão é denominada de radiação sı́ncrotron ou sincrotrônica
(WILLMOTT, 2011), tema da próxima seção.
2.1.1
Radiação Sı́ncrotron
A radiação sı́ncrotron é emitida devido à interação de partı́culas relativı́sticas com
o campo magnético. Em condições astrofı́sicas, essas interações ocorrem, e.g., no
meio interestelar de nossa Galáxia. A origem dos elétrons relativı́sticos pode ser
atribuı́da às explosões de supernovas que ejetam no meio interestelar partı́culas com
alta velocidades.
O campo magnético Galáctico possui uma componente regular que segue a estrutura
dos braços espirais da Galáxia, ∼ 3µG, (STANEV, 1997) e uma componente turbulenta, em pequena escala, responsável pela depolarização de Faraday1 (BROWN et al.,
2007). Devido ao campo magnético, em grande parte, estar confinado nos braços espirais da Galáxia, espera-se encontrar uma intensidade maior da radiação sı́ncrotron
no plano Galáctico do que nas altas latitudes Galácticas.
1
Rotação do vetor campo elétrico de uma onda linearmente polarizada causada pelo campo
magnético de diferentes intensidades paralelo a linha de visada.
3
2.1.2
Potência e Intensidade
O movimento acelerado de uma partı́cula carregada eletricamente em um campo
magnético é descrito pelas equações 2.1 e 2.2:
d
e
~
(γm~v ) = ~v × B
dt
c
(2.1)
d
~
(γm~v c2 ) = e~v .B
dt
(2.2)
em que m é massa da partı́cula, ~v a velocidade, c a velocidade da luz, e a carga da
~ o campo elétrico, B
~ o campo magnético e γ é o fator de Lorentz:
partı́cula, E
v2 − 1
γ = (1 − 2 ) 2
c
(2.3)
Analisando a equação 2.2 podemos admitir que γ é constante ou que |~v | = constante.
Assim, relacionando as equações 2.1 e 2.2 obtemos a equação 2.4:
mγ
e
d~v
~
= ~v × B
dt
c
(2.4)
Decompondo a velocidade ~v na direção paralela e perpendicular às linhas de campo
magnético obtemos as equações 2.5 e 2.6:
d~vk
=0
dt
d~v⊥
e
~
=
v⊥ × B
dt
mγc
(2.5)
(2.6)
A combinação do movimento retilı́neo uniforme da partı́cula (equação 2.5 paralela
~ com o movimento curvilı́neo (equação 2.6 perpendicular
às linhas de campos de B)
~ constitui o movimento helicoidal (Figura 2.1).
às linhas de campos de B)
A frequência de rotação, ωB~ , é dada pela equação 2.7:
ωB~ =
4
~
qB
γmc
(2.7)
Figura 2.1 - Combinação do movimento retilı́neo uniforme com movimento curvilı́neo resultando no movimento helicoidal da partı́cula carregada em um campo magnético.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
A aceleração centrı́peta do movimento circular projetado no plano perpendicular
ao campo magnético é dada pela equação 2.8 e a aceleração ao longo do campo de
magnético é zero, isto é, ~ak = 0.
~a⊥ = ωB~ ~v⊥
(2.8)
~
A potência total emitida é proporcional ao quadrado do campo magnético, B:
P =
2q 4 γ 2 B 2 ~2
v
3c5 m2 ⊥
(2.9)
Para uma distribuição isotrópica de velocidade a potência total pode ser reescrita
como:
4
P = σT cβ 2 γ 2 UB ,
3
(2.10)
em que σT é a seção de choque de espalhamento de Thomson (σT = 8πR02 /3) cm2 e
UB densidade de energia magnética (UB = B 2 /8π) G.
5
2.1.3
Espectro e polarização
Partı́culas carregadas e com velocidades relativı́sticas, emitem a radiação de forma
colimada (largura ∼ 1/γ) na direção do observador (Figura 2.2).
Figura 2.2 - Cone de radiação para partı́cula relativı́stica com largura ∼ 1/γ.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
Na figura 2.3 a linha contı́nua vermelha representa o segmento da trajetória da
partı́cula em movimento helicoidal apresentado na figura 2.1. Note que há dois cones
de emissão, um com origem no ponto 1 da trajetória e outro no ponto 2 separados
por um ângulo ∆α e uma distância s (arco da trajetória do movimento circular
uniforme do ponto 1 ao 2)
Quanto maior a velocidade da partı́cula, maior será a contribuição dos harmônicos
da frequência fundamental (ωB ) no espectro. Devido à contribuição intensa dos harmônicos, os pulsos no espectro de emissão sı́ncrotron tornam-se estreitos (diferente
de senoidal, o que ocorre para baixas velocidades) tornando o espectro próximo de
um contı́nuo (Figura 2.4).
Para o caso altamente relativı́stico (βrelat ∼ 1), a potência por unidade de frequência
emitida por cada elétron é dada por:
√
P (ω) =
~ sin α
3 q3B
ω
F ( ),
2
2π mc
ωc
6
(2.11)
Figura 2.3 - Radiação emitida por partı́culas relativı́sticas. Segmento da trajetória da
partı́cula do movimento helicoidal e os cones de emissão.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
Figura 2.4 - Contribuição dos harmônicos da frequência fundamental causando o estreitamento no espectro tornando-o próximo do contı́nuo.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
em que F( ωωc ) é uma função adimensional, α = arctan(~v⊥ /~vk ) e ωc é a frequência
crı́tica dada por:
ωc = (3γ 2 qBsinα)/2mc
(2.12)
Analisando a equação 2.11 é possı́vel notar a dependência de P (ω) com ωc e por isso
podemos aproximar o espectro da emissão sı́ncrotron por uma lei de potência com
expoente βs denominado de ı́ndice espectral 2 . Assim, temos:
2
Índice espectral é a inclinação da reta (emissão) quando plota-se P (ω) versus frequência e está
associado a uma lei de potência, cujo ı́ndice de potência é denominado de ı́ndice espectral.
7
P (ω) ∝ ω βs ,
(2.13)
em que P (ω) é a potência em função da frequência ω e βs é o ı́ndice espectral
sı́ncrotron. Os resultados de três anos do WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe) indicam que βs varia de βs ∼ −2, 6 na maior parte do plano galáxia até -3,1
no halo (JAROSIK et al., 2007).
A radiação sı́ncrotron possui grau de polarização linear da ordem de ∼ 75% (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979). Para estimar o grau de polarização deve-se relacionar à
potência na direção paralela e perpendicular, Pk e P⊥ , a projeção do campo magnético no plano do céu (Figura 2.5)
Figura 2.5 - Decomposição do vetor de polarização da emissão sı́ncrotron no plano do céu.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
O grau de polarização pode ser dado pela razão de Ip e I:
p
Q2 + U 2 + V 2
Ip
≡
=
,
(2.14)
I
I
em que Ip é a intensidade da radiação polarizada, I é a intensidade total e Q, U e
V são os parâmetros de Stokes, para o caso quase monocromático temos:
Y
8
I ≡ h(E1 )(E1 )∗ i + h(E2 )(E2 )∗ i = (1 )2 + (2 )2
(2.15)
E1 = E1 iφ1 ,
(2.16)
E2 = E2 iφ2
(2.17)
Q ≡ h(E1 )(E1 )∗ i − h(E2 )(E2 )∗ i = (1 )2 − (2 )2
(2.18)
U ≡ h(E1 )(E2 )∗ i + h(E2 )(E1 )∗ i = 2(1 )2 (2 )2 cos(φ1 − φ2 )
(2.19)
1
h(E1 )(E2 )∗ i − h(E2 )(E1 )∗ i = h2(1 )(2 ) sin(φ1 − φ2 )i
i
(2.20)
onde
e
V ≡
I 2 ≥ Q2 + U 2 + V 2 ,
(2.21)
em que hi indica a média, h(Ei )(Ej )∗ i são os conjugados complexos (i,j = 1, 2),
E1 = (1 )eiφ1 e E1 = (2 )eiφ2 (Figura 2.6).
2.2
Emissão Bremsstrahlung
A emissão Bremsstrahlung, também conhecida como livre-livre, é a radiação produzida quando uma carga elétrica é acelerada por um campo elétrico de uma outra
carga3 (elétron-pósitron e elétron-ı́on).
A emissão bremsstrahlung, em ambientes astrofı́sicos, está presente nas nuvens de
plasmas quentes no meio interestelar, regiões centrais de AGNs, atmosferas estelares,
objetos acretando matéria, aglomerados de galáxias (bremsstrahlung em raios X)
(BRADT, 2008).
Um completo entendimento da emissão Bremsstrahlung exige tratamento quântico.
Para alguns casos, podemos abordar classicamente e posteriormente passar para es3
Cargas iguais (elétron - elétron ou próton - próton) não emitem radiação, pois o momento do
dipolo elétrico é zero.
9
Figura 2.6 - Rotação do eixo x e y do vetor campo elétrico através do ângulo χ (para o
caso da polarização elı́ptica).
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979).
tados quânticos com as correções das equações clássicas via fator de Gaunt (RYBICKI;
LIGHTMAN, 1979).
2.2.1
Emissão a partir de elétrons com única velocidade
Para um elétron movendo-se com velocidade v em linha reta na direção de outra
carga Z (ı́on) com parâmetro de impacto b (figura 2.7), o tempo de interação (colisão)
será:
τc =
b
v
(2.22)
Figura 2.7 - Elétron (com carga e) deslocando em linha reta acima do ı́on com carga Z
com parâmetro de impacto b.
10
A emissão total por unidade de tempo por unidade de volume por unidade de faixa
de frequência é dada por (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979):
dW
16e6
= 3 2 ne ni Z 2
dωdV dt
3c m v
Z
bmax
bmin
db
16e6
bmax
= 3 2 ne ni Z 2 ln(
),
d
3c m v
bmin
(2.23)
em que ne é a densidade eletrônica, ni é a densidade iônica, Z é o número do ı́ons,
bmax ≡ ωv é o parâmetro de impacto máximo e bmin é o parâmetro de impacto
mı́nimo e que pode ser estimado para dois casos:
(i) quando a aproximação de linha reta deixa de ser válida, se ∆v ∼ v, o valor de
b1min será:
b1min =
(ii) pelo princı́pio da incerteza, ∆x∆p ≥
será:
4Ze2
πmv 2
h
,
2π
b2min =
(2.24)
se ∆x ∼ b e ∆p ∼ mv, o valor de b2min
h
mv
(2.25)
Assim, se b1min b2min a descrição do espalhamento clássico é válida. Para o caso
oposto, b1min b2min , a teoria clássica não é válida.
Para uma descrição precisa em qualquer regime precisamos fazer as correções usando
o fator de Gaunt4 gf f (v, ω), assim temos:
Z
2.2.2
dW dω
16πe6
= √
ne ni Z 2 gf f (v, ω)
dωdV dt
3 3c3 m2 v
(2.26)
Bremsstrahlung térmico
Uma aplicação interessante dos conceitos apresentados é a emissão térmica de
Bremsstrahlung. Em uma distribuição isotrópica de velocidade a potência total por
4
Fator de√Gaunt é uma dada função de energia do elétron e da frequência de emissão dado por:
gf f (v, ω) = 3πln(bmax /bmin )
11
unidade de volume é dada por:
dW
=
dωdV dt
r
2πkT 25 πe6 2
Z ne ni g B ,
3m 3hmc3
(2.27)
em que k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura do meio, h é a constante
de Planck e g B é o valor médio do fator de Gaunt que pode ser obtido pela figura
2.8.
Figura 2.8 - Fórmulas analı́ticas aproximadas para o fator de Gaunt médio (g B ). As regiões
em azul refere-se a grande ângulo de espalhamento e as demais para pequenos
ângulos. As regiões indicadas com P.I indica Princı́pio da Incerteza e que o
modelo clássico não e válido e Ry=13,6 eV é a unidade de energia em Rydberg.
Fonte: (RYBICKI; LIGHTMAN, 1979)
2.3
Emissão por poeira
Nesta seção discutiremos a emissão térmica de poeira e a emissão anômala que
também são componentes da emissão Galáctica.
12
2.3.1
Emissão térmica por poeira
O meio interestelar possui grãos de poeira5 que são partı́culas sólidas e que contribuem para os seguintes processos astrofı́sicos: extinção interestelar, avermelhamento da luz das estrelas, espalhamento da radiação estelar, polarização interestelar e emissão térmica (MACIEL, 2002).
Dentre os processos citados acima, os que interessam para o estudo da emissão difusa
Galáctica na faixa de microondas são: polarização interestelar e a emissão térmica
dos grãos.
A polarização é produzida devido à interação entre nuvem de grãos de poeira com
a luz incidente de uma estrela (figura 2.9). Os fótons são absorvidos pelos grãos de
poeira que passam a emitir radiação térmica e aquecem o meio.
Figura 2.9 - Interação da luz não polarizada com a poeira.
A orientação dos grãos se dá quando o eixo de rotação dos grãos se alinha com
o campo magnético interestelar. O mecanismo de Davis e Greentein descreve tal
processo, porém há incoerência no mecanismo (por exemplo o tempo de relaxamento
5
Composição quı́mica: óxidos (Al2 O3 ; F eO; M gO) são observado em emissão infravermelha em
envelopes de estrelas oxigenadas; silicatos (M gSiO3 ; F e2 SiO4 ) emitem entre 9,7 a 18 µm; gelos
(H2 O; N H3 ; CH3 OH) são observado pela banda de absorção na faixa de 3 µm e compostos orgânicos (carbono na forma de grafite ou amorfo) evidências observadas nas bandas de observação do
ultravioleta na faixa de ∼ 217, 5nm (MACIEL, 2002).
13
teórico é maior que o observado). Outros mecanismos estão sendo estudados, estes
são: o de Gold, o de Purcell e o alinhamento por torques radiativos (FERREIRA,
2009b).
O ganho de energia dos grãos deve ser da à absorção ou difusão e à colisão com
partı́culas do gás6 . Assim, o ganho é dado por:
Z
G=c
∞
Qa Uλ dλ + nσd vg Eg ,
(2.28)
0
em que G é o ganho por unidade de tempo por unidade de área projetada dos grãos,
Qa é o fator de eficiência para absorção, Uλ é a densidade de energia do campo de
radiação, dλ é o elemento de integração, n é a densidade das partı́culas do gás, σd
é a seção de choque relativa, vg é a velocidade média e Eg é a energia média ganha
pelos grãos durante a colisão.
A temperatura da poeira, Td , é dada por:
Td = (
cU
4σStef an−Boltzmann
)1/4 ,
(2.29)
em que σStef an−Boltzmann é a constante de Stefan-Boltzmann.
A figura 2.10 (O’DELL, 2001) apresenta a contribuição do espectro da emissão térmica
da poeira e também o modo de polarização EE e BB para a radiação cósmica de
fundo (RCF).
O ı́ndice espectral da emissão de poeira galáctica varia entre 2 ≤ βd ≤ 1, 5 (JAROSIK
et al., 2007), lembrando que P (ω) ∝ ω βd e o grau de polarização é próximo de 10%
(DRAINE, 2003).
2.3.2
Emissão anômala
A emissão anômala para frequências entre 10 e 90 GHz é uma área de estudo em pleno
desenvolvimento ((KOGUT et al., 2007), (DRAINE; LAZARIAN, 1998), (HILDEBRANDT,
2007)). O ı́ndice espectral para emissão anômala, βa , é de −2, 58 (JAROSIK et al.,
2007). Estudos apontam que a emissão é exclusivamente térmica e pode ser explicada
por dois mecanismos de emissão: o de dipolo elétrico e de dipolo magnético, sendo:
6
Como há gás no meio interestelar, o alinhamento do grão devido a presença do campo magnético
galáctico, deve provocar colisão entre o gás e grão, provendo um movimento no grão.
14
Figura 2.10 - Emissão de poeira: emissão térmica e emissão anômala. Apresenta também
o modo de polarização EE e BB para a RCF (Radiação Cósmica de Fundo).
(O’DELL, 2001)
(i) uma partı́cula de poeira com momento de dipolo elétrico, µ, e com frequência de
rotação, ω, emitirá potência média P:
4µ8 ω 8
P =
9c3
(2.30)
A rotação da partı́cula pode ter origem devido às colisões e interações com átomos
e ı́ons, efeito fotoelétrico ou formação de moléculas H2 na superfı́cie do grão (FERREIRA, 2009b). Estima-se que o grau de polarização é próximo de 20% em 10 GHz
(LAZARIAN, 2000).
(ii) o outro candidato para explicar a origem da emissão anômala é a presença de
um dipolo magnético nos grãos de poeira, pois geralmente o material da poeira é
formado de Fe ou Ni (MACIEL, 2002).
O espectro da emissão anômala é apresentado na figura acima, figura 2.10.
15
3 Projeto GEM: motivação e campanhas realizadas
Neste capı́tulo descreveremos a motivação do projeto GEM (Galactic Emission Map)
e as campanhas observacionais realizadas com o radiotelescópio do projeto.
3.1
Motivação inicial do Projeto GEM
O projeto GEM iniciou-se no ano de 1991 durante a reunião da I.A.U (União Internacional Astronômica) realizada em Buenos Aires, Argentina. O projeto é uma
colaboração internacional entre o Brasil, Colômbia, Itália e E.U.A. (TELLO, 1997).
O objetivo inicial do GEM era produzir mapas do brilho total do céu a fim de
estudar a distribuição espacial e determinar o ı́ndice espectral da emissão galáctica
nas frequências de 408 MHz, 1465 MHz, 2,3 GHz, 5 GHz e 10 GHz. Foram feitos
mapas em 1465 e 2300 MHz ((TELLO, 1997); (TELLO et al., 2007)). O objetivo atual
do projeto GEM é medir a potência total e a polarização da emissão do contı́nuo
em 5 GHz e posteriormente em 10 GHz.
3.2
Campanhas observacionais
A seguir serão mencionadas as campanhas observacionais realizadas com o radiotelescópio do projeto GEM.
3.2.1
Experimento para medir o brilho total do céu em 1465 MHz
Entre os anos de 1993 e 1994 ocorreram as primeiras campanhas observacionais com
o radiotelescópio do projeto GEM. Foram realizadas 4 campanhas observacionais
na White Mountain Research Station, próxima de Bishop no estado da Califórnia,
E.U.A. ((TELLO et al., 1998), (TELLO et al., 2000)).
A finalidade da campanha foi aperfeiçoar os sistemas radiométricos em 408 MHz
e realizar medidas do brilho total do céu em 1465 MHz, para produção de um
mapa parcial do céu com cobertura em declinação 7o 100 ≤ δ ≤ 67o 300 e ascensão
reta 0h ≤ α ≤ 24h .
O alimentador do receptor foi uma antena helicoidal. Para obtenção do mapa foram
utilizadas 76,52 horas de observação. Os parâmetros do instrumento eram: resolução
angular ∼ 6o ; temperatura de ruı́do Truido = (127, 4 ± 0, 4K); temperatura de sistema Tsis = 142K e a sensibilidade τ = 20mK.
17
3.2.2
Experimento para medir o brilho total do céu em 408 MHz
No ano de 1995 ocorreram as campanhas observacionais no sı́tio de observação Villa
de Leyva, Bogotá, Colômbia. O objetivo da campanha foi a produção de medidas
do brilho total do céu em 408 MHz para obtenção do mapa do céu com cobertura
em declinação −24o 22 ≤ δ ≤ +35o 37 e ascensão reta 0h ≤ α ≤ 24h ((VILLELA et al.,
1994), (TORRES et al., 1994)).
O alimentador do receptor de potência total, em 408 MHz, também foi uma antena helicoidal. Para obtenção do mapa foram utilizadas 209 horas de observação,
com resolução ∼ 10o ; temperatura de sistema Tsis = 104 ± 6K; e a sensibilidade
τ = 26mK.
3.2.3
Experimento para medir o brilho total do céu em 2,3 GHz
Os dados para elaboração do mapa da emissão do contı́nuo em 2,3 GHz foram
obtidos em duas campanhas, sendo 231 horas de observação no ano de 1995 no sı́tio
de observação Villa de Leyva, Bogotá, Colômbia e 531 horas de observação no ano
de 1999 no sı́tio de observação do INPE em Cachoeira Paulista, São Paulo, Brasil
(TELLO et al., 2007).
Na campanha realizada na Colômbia (cobertura do céu de −24o ≤ δ ≤ +36o ) a
temperatura de sistema foi de 85, 4 K e a sensibilidade de 11, 4mK. Já a campanha
realizada no Brasil (cobertura do céu em declinação −52o ≤ δ ≤ +8o ) a temperatura
de sistema Tsis = 61, 6K e a sensibilidade de τ = 8, 2mK.
3.2.4
Experimento para medir o brilho total do céu em 5 GHz
Entre os anos de 2007 e 2008 ocorreram no campus do INPE de Cachoeira
Paulista/SP as primeiras campanhas para medir a potência total e a polarização
em 5 GHz ((FERREIRA, 2009a), (FLAVIO, 2009)).
O alimentador do radiômetro foi uma corneta corrugada e por se tratar de uma
campanha que visou medir a polarização da emissão Galáctica, foram testados dois
transdutores de modo ortogonal (OMT) (FERREIRA, 2009a).
Um sistema de criogenia foi utilizado no primeiro estágio de amplificação. O resfriamento foi possı́vel com uso de nitrogênio liquido, realimentado a cada duas horas.
Devido à evaporação do nitrogênio lı́quido houve um gradiente de temperatura que
comprometeu de forma significativa a qualidade dos dados obtidos nesta campanha.
18
Os mapas preliminares da intensidade polarizada e das componentes Q e U da emissão galáctica em 5 GHz com 337,6 horas de observação, são apresentados nas figuras
3.1, 3.2 e 3.3 projetados em coordenadas galácticas e na projeção de Mollweide.
Figura 3.1 - Mapa preliminar do parâmetro de Stokes Q em 5 GHz.
Fonte: (FERREIRA, 2009a)
Figura 3.2 - Mapa preliminar do parâmetro de Stokes U em 5 GHz.
Fonte: (FERREIRA, 2009a)
19
Figura 3.3 - Mapa preliminar da intensidade total da emissão Galáctica em 5 GHz em
coordenadas galácticas e na projeção de Mollwelide.
Fonte: (FERREIRA, 2009a)
20
4 PROJETO GEM - RECEPTOR PREPARADO PARA A CAMPANHA 2013
Neste capı́tulo descreveremos o poları́metro pseudo-correlacionador desenvolvido
pelo Grupo de Cosmologia da Divisão de Astrofı́sica DAS/INPE (FERREIRA, 2009a)
e adaptado com melhorias fundamentais para a campanha observacional prevista
para 2013.
4.1
A antena do projeto GEM em 5 GHz
Por definição, uma antena é um meio que pode irradiar ou receber ondas de rádio
((HANSEN, 1981), (MIKKI, 2012)). A antena do projeto GEM opera apenas como
receptora do sinal provindo do céu.
Para a campanha em 5 GHz a antena é constituı́da de uma cavidade circularretangular de 6 cm (figura 4.1a) acoplada a uma corneta corrugada constituı́da de
três partes de alumı́nio (diâmetro de abertura 420 mm e 25o de ângulo de abertura).
A corrugação interna possui passos retangulares de 15x15 mm com a finalidade de
evitar a formação de modos de propagações espúrios (figura 4.1b).
Figura 4.1 - a) interior da antena; b) detalhe da corrugação na parte interior da corneta.
O sinal provindo do céu (emissão Galáctica) é fraco e por isso é necessário o uso de
uma superfı́cie metálica coletora para focalizar o sinal sobre um sub-refletor e este
refletir o sinal para o interior da corneta. A antena é baseada num projeto Cassegrain
clássico (HANNAN, 1961) conforme apresentado no esquema da figura 4.2.
O refletor primário (coletor primário) do projeto GEM é parabólico com diâmetro
5,6 m, possui profundidade de 1,08 m e é constituı́do de 24 chapas de alumı́nio cuja
21
Figura 4.2 - Esquema da configuração Cassegrain do projeto GEM para campanha em 5
GHz, onde 1) radiação provinda do céu, 2) sub-refletor, 3) refletor primário,
4) abertura da corneta corrugada, 5) antena.
rugosidade de superfı́cie é de 0,71 mm. O sub-refletor (secundário) é hiperbólico
com diâmetro de 0,58 m e é constituı́do de uma única peça de alumı́nio. O mesmo
é suportado por um tripé metálico apresentado na figura 4.3.
Figura 4.3 - a) vista do refletor primário (maior); b) secundário (menor), tripé e corneta
coberta.
Por questões históricas e jargão astronômico, adotaremos neste trabalho a definição
de antena sendo todo o conjunto que compõe o sistema Cassegrain, isto é, o refletor primário, o sub-refletor, a corneta corrugada, a cavidade circular-retangular, a
22
sustentação mecânica da parábola principal com painéis extensores que servem para
minimizar a contaminação dos lóbulos laterais.
A Tabela 4.1 apresenta as principais caracterı́sticas ópticas da antena.
Tabela 4.1 - Propriedades ópticas da antena do radiotelescópio GEM.
Elementos
Diâmetro do refletor primário
Distância focal do refletor primário
Profundidade do refletor primário
Razão focal (primário)
Rugosidade RMS superfı́cie
Diâmetro do refletor secundário
Razão focal (secundário)
Nı́vel dos lóbulos laterais*
Nı́vel de perda de retorno*
Polarização cruzada*
Dados
5,6 m
1,8 m
1,08 m
3,3x10−1
7,1x10−1 mm
5,84x10−1 m
4,7x101
-43,4 dB
-25 dB
-40 dB
Fonte: (FLAVIO, 2009). * valores referentes à realizada na campanha 2007.
A antena do radiotelescópio irá operar com um ângulo zenital fixo de 30◦ . A área
observada será aproximadamente de 47% do céu (−52◦ < δ < +08◦ ) e a velocidade
azimutal será constante e pode ser calculada pela equação 4.1 (TELLO, 1997).
v=
1 − cos θ
1
arccos[1 −
],
6τ
cos2 (90◦ − Θ)
(4.1)
em que v é a velocidade, τ é o tempo integração, θ é a largura a meia altura do feixe
e Θ é o ângulo de apontamento a partir do zênite.
Para a campanha prevista para 2013 os valores dos termos da equação 4.1 são: v=0,28
rpm, τ =0,56s, θ = 0, 72◦ , Θ = 30◦ . A figura 4.4 apresenta a operação azimutal do
radiotelescópio em três momentos distintos.
4.2
O receptor
O receptor do projeto GEM é um radiômetro com capacidade polarimétrica e por
isso possui um OMT (transdutor de modo ortogonal, figura 4.5), instalado no final
da cavidade circular-retangular, que dividirá o sinal incidente em duas polarizações
23
Figura 4.4 - Movimento azimutal do radiotelescópio.
diferentes formando um ângulo de 90o entre si, percorrendo dois circuitos de rádiofrequência idênticos. O diagrama da figura 4.6 apresenta tal circuito.
Foram conectados três conectores (em configuração Y) de uma fonte de ruı́do1 na
entrada do OMT. A fonte de ruı́do irá inserir, via conectores, um sinal bem conhecido
e definido no sinal provindo do céu, com isso teremos um calibrador em tempo real
no sistema. A figura 4.5 apresenta, em detalhes, o OMT.
Figura 4.5 - Descrição do OMT: 1) flange no guia de onda circular, 2) transição entre
os guias circular e quadrado, 3) flange entre os guias quadrados, 4) guia de
onda quadrado, 5) pinos de suporte do septum, 6) transição suave entre o
guia quadrado e o retangular, 7) guia de onda com curvatura no plano H, 8)
idem, 9) flange, 10) guia de onda retangular acoplado por uma fenda ao guia
quadrado, 11) parede móvel que permite o ajuste do casamento de impedância,
12) flange.
Fonte: (FERREIRA, 2009a).
1
Especificações da fonte de ruı́do: modelo NC3200 (NoiseCom), temperatura estável, pulsos de
100 Hz e amplitude de 26dB. Pulsos são inseridos, distintamente, no guia de onda e OMT durante
4 frames (4 integrações) via três injetores Delta Electronics e guia de onda coaxiais. Os pulsos são
acionados por uma chave seletora, solenoide, modelo SME1P6T (DBP Microwave)
24
Figura 4.6 - Esquema do radiômetro para campanha prevista para 2013: 1) corneta, 2)
calibrador, 3) OMT, 4) amplificador criogênico FET, 5) filtro, 6) amplificador,
7) defasadores, 8) acoplador hı́brido, 9) diodo quadrático, 10) splitter+filtro,
11) somador, 12) multiplexador (demodulação, interação e digitalização), 13)
PC-industrial, 14) notebook de controle.
O sinal a ser detectado (temperatura do céu) é baixo, sendo necessário usar o sistema
de amplificação em cascata, ou seja, uma série de amplificadores e o ganho total
será a soma dos ganhos de cada amplificador e perdas (ganhos negativos) conforme
equação 4.2 (ROHLFS; WILSON, 2006).
G=
n
Y
Gi ,
(4.2)
i=1
em que G é o ganho total e Gi é o ganho individual de cada amplificador.
O ganho total para o receptor desenvolvido é dado pela equação 4.3 que inclui os
ganhos dos amplificadores e das perdas devido a inserção de componentes no circuito
de rádio-frequência:
Gtotal = GOM T × Gampl1 × Gampl2 × Gf iltro × Gsplitter × Gdef asador × Gacoplador (4.3)
25
4.2.1
O primeiro estágio de amplificação
O primeiro estágio de amplificação utilizou um amplificador MITEq AFS3-0400080009-CR-42 (MITEQ, 2012) em ambiente criogênico cujo objetivo é minimizar a inserção
de ruı́do intrı́nseca dos outros componentes no sinal incidente (amplificadores, cabos
semirrı́gidos, conectores SMAs).
O vaso criogênico, figura 4.7, onde encontra-se o primeiro estágio de amplificação
é resfriado a uma temperatura de 77 K por meio de um cryocooler modelo Cryocooler TEL GT, SunPower, que opera somente com pressão inferior a 1 × 10−4 torr
(SUNPOWER, 2005). O vácuo é gerado com auxilio de um sistema que será descrito
posteriormente no capı́tulo 6.
Figura 4.7 - Vistas do interior do vaso criogênico em que: 1) dedo frio e cabo do sensor
de temperatura, 2) suporte para amplificadores e sensores, 3) amplificador, 4)
cabos semirrı́gidos com conectores SMAs e sensor de temperatura.
2
Especificações do amplificador: Amplificador criogênicos FET (field-effect transistor), da
MITEq, série AFS3-04000800-09-CR-4, transitor de gálio e arsênio (GaAs FETs), faixa de frequência 4-8 GHz, ganho de 31-33 dB e figura de ruı́do de 0,8-0,2 dB (MITEQ, 2012).
26
4.2.2
O segundo estágio de amplificação
Após passar pelo primeiro estágio de amplificação, o sinal seguirá por um filtro
tubular3 cujo objetivo é filtrá-lo para seguir ao segundo estágio de amplificação. A
banda de operação é de 4900 a 5100 MHz (DELTAMICROWAVE, 2012).
O segundo estágio de amplificação4 está localizado no bloco de eletrônica com temperatura controlada5 ∼ 300 K com ganho 45 dB (QUINSTAR, 2011).
Parte do circuito de rádio-frequência do receptor é apresentado na figura 4.8.
Figura 4.8 - Descrição do circuito de rádio-frequência (bloco de eletrônica aberto na bancada): 1) entrada do sinal, 2) filtro tubular, 3) amplificador, 4) splitter, 5)
saı́da para canal de potência total, 6) defasadores, 7) acoplador hı́brido, 8)
diodo quadrático.
A nova configuração do receptor inclui um divisor de sinal (splitter) na saı́da do
segundo amplificador, dividindo novamente o sinal em duas partes iguais.
A primeira parte do sinal é conduzida a uma placa eletrônica que irá somá-lo com
o sinal provindo do outro amplificador (lembrando que há dois circuitos eletrônicos
3
Especificações do filtro: tubular modelo C1537-1 (Delta Microwave), com banda de 4,9 a 5,1
GHz, perda por inserção deste componente é de 1,5 dB (máxima) (DELTAMICROWAVE, 2012).
4
Amplificador Quinstar QLN, ganho ∼ 45 dB, figura de ruı́do 1,8 dB (QUINSTAR, 2011).
5
Controle de temperatura: usa-se resistores de potência para aquecer e pastilhas semicondutoras
Melcor Peltier CP02 conectadas a um dissipador de calor e ventoinha para esfriar.
27
similares ). O circuito somador será descrito no capı́tulo 5.
A segunda parte do sinal, após o divisor, segue o circuito de rádio-frequência responsável por fazer a pseudo-correlação para obter os parâmetros de Stokes. O circuito
é composto por um defasador de onda que tem a função de corrigir a diferença de
fase da onda, seguido por um acoplador hı́brido e um diodo detector quadrático. A
pseudo-correlação é descrita pela equação 4.4 (O’DELL, 2001).
S=
G2 − G2B
G2A + G2B
I+ A
Q + GA GB [U cos ∆φ − V sin ∆φ],
2
2
(4.4)
em que S é o sinal de saı́da (combinações das duas cadeias de rádio-frequência), GA
é o ganho dos amplificadores do primeiro circuito eletrônico de rádio-frequência, GB
é o ganho dos amplificadores do segundo circuito eletrônico de rádio-frequência e
∆φ é a diferença de fase inserida no sinal que percorreu cada cadeia.
Para termos a saı́da apenas em função de um parâmetro de Stokes6 , U, é necessário
igualar os ganhos GA e GB (primeiro termo da equação 4.4) de forma que ∆φ seja
igual a π ou 0, para tanto usa-se técnica de demodulação, isto é, insere um sinal
modulado no defasador de onda e constrói um integrador que é sensı́vel apenas
ao sinal modulado (FERREIRA, 2009a). Este processo ocorre com o demodulador e
integrador digital modelo C8051F 040 Silicon Lab (SILICON, LAB., 2005).
O sinal sai do receptor e é conduzido à caixa de aquisição (CAq) situada no braço
da antena. Nela há um multiplexador (Wiring Terminal Board) modelo PCLD-8710
Advantech (ADVANTECH, ) onde todos os sinais (sensores, amplificadores, azimute
e GPS) são convertidos de sinais analógicos para digitais formando um frame com
26 colunas.
O frame da nova configuração do receptor preparado para a campanha prevista para
2013 possui 26 colunas e n linhas (tabela 4.2) formando uma matriz digital DUi,j
onde i são as colunas e j as linhas. Cada frame equivale a um tempo de integração
de 0,56 s.
Os elementos da matriz DUi,j são gravados em unidades digitais e devem ser convertidos em unidades fı́sicas. A conversão para tensão V é dada pela equação (TELLO,
1997):
6
Para medir o outro parâmetro, Q, é necessário rotacionar o OMT por um ângulo de
é feito manualmente na antena.
28
π
4
e isto
Tabela 4.2 - Descrição do frame para nova configuração do receptor do projeto GEM.
Coluna
0j
1j
2j
3j
4j
5j
6j
7j
8j
9j
10j
11j
12j
13j
14j
15j
16j
17j
18j
19j
20j
21j
22j
23j
24j
25j
Conteúdo
número do frame
pulso de 100 Hz
sinal A
azimute
temperatura do bloco de eletrônica - face A
temperatura do bloco de eletrônica - face B
temperatura do diodo detector
temperatura ambiente
canal livre
temperatura da eletrônica
temperatura do diodo criogênico
temperatura do fonte de ruı́do
tensão da fonte de ruı́do
pulso de 100 Hz
sinal B
potência total
temperatura do aquecedor
digito da fonte de ruı́do
posição Q ou U
ano
mês
dia
hora
minuto
segundo
nano-segundo
S=
DUi,j − 215
× 10,
215
(4.5)
em que S volts é a saı́da e 215 é um fator de conversão.
A equação que converte os elementos de DUi,j em temperatura (o C) é a mesma que
a equação 4.5, porém multiplicada por um fator 10, assim:
T = S × 10
(4.6)
Cada frame será enviado, via cabo subterrâneo, para o notebook que se encontra na
29
sala de controle. No notebook foi instalado o software Labview que lê os frames e
faz a gravação em formato ASCII (.txt) formando a matriz DUi,j .
No inı́cio do capı́tulo apresentamos o diagrama da configuração nova do radiômetro,
previsto para operação em 2013 (figura 4.6). Para fim de comparação, apresentamos
na figura 4.9 a configuração antiga (FERREIRA, 2009a). Comparando os dois diagramas podemos notar que as diferenças fundamentais no circuito rádio-frequência
estão nos itens 10 e 11 da figura 4.6 que foram implementados para somar o sinal e
obter a potência total.
Figura 4.9 - Esquema do radiômetro utilizado na campanha do GEM 2007/08.
Fonte: Adaptado de (FERREIRA, 2009a).
4.3
Diagrama de ligação de todos elementos do aparato instrumental
Nessa seção apresentamos um diagrama geral de ligação de todos os elementos do
aparato instrumental (figura 4.10). A tabela 4.3 apresenta a numeração dos cabos
indicados na figura 4.10 e as respectivas funções.
30
Tabela 4.3 - Numeração dos cabos do diagrama de ligação do experimento GEM:
Coluna
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
#11
#12
#13
#14
#15
#16
#17
#18
#19
#20
#21
#22
#23
#24
#25
#26
#27
#28
#29
#30
Conteúdo
cabo 26 pinos
temperatura ambiente
sinal A
sinal B
potência total
manômetro
100 Hz
cooler
ventoinha
fonte de alimentação do cryocooler
GPS
monitor
elevação
azimute
botoeira/parada de emergência
cabo de motores
ligação da caixa de aquisição a sala de controle
ligação da caixa de aquisição a sala de controle
ligação da caixa de aquisição a sala de controle
conexão com anéis
conexão com anéis
codificador de elevação
codificador de azimute
conexão com anéis
conexão com anéis
conexão com painel de controle
conexão com painel de controle
computador de controle, RS232
alimentação elétrica
sistema de vácuo
31
Figura 4.10 - Diagrama de ligação de todos elementos do aparato instrumental. O significado da numeração é apresentado na tabela 4.3.
32
5 CANAL DE POTÊNCIA TOTAL
Neste capı́tulo apresentaremos os conceitos fundamentais da eletrônica de detecção
e a descrição da instrumentação do canal de potência total do GEM, uma das contribuições deste trabalho.
5.1
Fundamentos
Um amplificador operacional, conhecido também como amp-op, é um dispositivo
eletrônico na forma de circuito integrado (CI). A arquitetura interna de um CI
amp-op é formada por um circuito complexo de componentes (transistor, resistores,
capacitores) no domı́nio da microeletrônica.
O amp-op é um dispositivo extremamente versátil, pois possui amplas aplicações em
circuitos eletrônicos, tais como: amplificação de sinal, sistemas de controle, regulador
de tensão e corrente além das aplicações da funções básicas da matemática (adição,
subtração, multiplicação, divisão, integração e diferenciação) (LIRA, J. G. A., 2010).
A motivação para o uso de um amp-op é manipular sinais de entrada Vi (i=1,2,3,...,n)
e obter um sinal de saı́da Vo (CATHEY, 2003). Como descrito, um amp-op é um CI, e
por isso os sinais Vi devem ser inseridos na pinagem correta do CI, que pode ser inversora (entrada negativa) ou não-inversora (entrada positiva). A figura 5.1a apresenta
a simbologia que representa um amp-op e na figura 5.1b apresenta o posicionamento
da simbologia no CI (ALEXANDER; SADIKU, 2012).
Figura 5.1 - a) simbologia de um amp-op, b) posição da simbologia em um CI onde os
pinos são: 1) off-set (em geral é conectado a um resistor variável para ajustar
e equilibrar as tensões da entrada), 2) entrada inversora (entrada negativa),
3) entrada não-inversora (entrada positiva), 4) alimentação elétrica negativa,
5) off-set (similar ao pino 1), 6) sinal de saı́da, 7) alimentação elétrica positiva
e 8) não conectado.
Fonte: Adapatada de (ALEXANDER; SADIKU, 2012).
33
Ao adotarmos um amp-op ideal para análise estaremos assumindo que: a impedância
de entrada é infinita enquanto que a impedância de saı́da tende a zero; o deslocamento de fase é igual a zero; as propriedades semicondutoras não variam com as
variações de temperatura; se a entrada for zero a saı́da será nula, isto é, o ampop não insere ou consome corrente elétrica/tensão externas ou corrente de fuga
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998); o ganho, caracterı́stica do fabricante, é constante
e dado por:
A=
V2positiva
V0
,
− V1negativa
(5.1)
em que A é o ganho (grandeza adimensional), V2positiva V é o sinal inserido na entrada
da porta não-inversora e V1negativa [V] sinal de entrada da porta inversora. Podemos
também obter o ganho em decibéis [dB], isto é:
A = 20 log
V2positiva
V0
[dB].
− V1negativa
(5.2)
A configuração mais simples para um amp-op é a inserção de dois sinais D.C. nas
entradas do amp-op para obter um sinal de saı́da, V0 , conforme apresentado na figura
5.2 (WENDLING, M., 2010)
Figura 5.2 - a) inserção de sinais na entrada do amp-op, b) sinal de saı́da V0 para um
amp-op ideal.
Fonte: (WENDLING, M., 2010).
Podemos adicionar outros componentes eletrônicos (resistores e capacitores) na configuração apresentada no circuito da figura 5.2a. A arquitetura formada a partir de
resistores e capacitores com amp-op permitirá obter as inúmeras funções desejáveis
em circuitos eletrônicos.
34
Nesse capı́tulo daremos ênfase em três funções: soma, integração e diferenciação.
Cada função apresenta uma configuração no circuito eletrônico e que serão abordadas
nas seções seguintes.
5.2
Amplificador operacional com a função de soma.
A primeira configuração que abordaremos será para obter a função de soma de n
sinais de entrada, Vi (i=1,2,3,...,n), porém iniciaremos a análise com apenas um sinal
(i=1), isto é, V1 e posteriormente estenderemos os conceitos demonstrados para n
sinais de entradas.
Conectando um resistor em uma das entradas do amp-op e na outra entrada o
terra, teremos um circuito de malha fechada (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998). Se
a entrada com sinal V1 estiver conectada a porta inversora, negativa, teremos um
amplificador inversor com ganho constante (figura 5.3a), porém se a entrada do
sinal V1 estiver conectada a porta não-inversora, positiva, teremos um amplificador
não-inversor com ganho constante (figura 5.3b).
Figura 5.3 - a) Amplificador operacional inversor, b) amplificador operacional nãoinversor, ambos casos com resistor de alimentação Rf .
Fonte: (WENDLING, M., 2010).
O sinal V0 do amplificador inversor terá polaridade oposta ao sinal de entrada Vi ,
no entanto, para um amplificador não-inversor o sinal de saı́da, Vo , estará em fase
com sinal de entrada Vi .
Redesenhando o princı́pio de funcionamento de um amplificador inversor em um
circuito equivalente A.C. e admitindo as seguintes equivalências, tais como: para
um amp-op ideal a impedância de entrada é alta, logo Ri = R∞ entre R1 e o terra;
a impedância de saı́da para um amp-op ideal é baixa, logo R0 < 100Ω; o sinal
35
de entrada é alternado, o ganho sinal de saı́da é V0 = −Av × Vi (equação 5.1). O
circuito equivalente ao amp-op inversor é apresentado na figura 5.4a e redesenhando
na figura 5.4b desconsiderando Ri e inserindo as fontes A.C.
Figura 5.4 - a) circuito equivalente A.C. para um amp-op ideal, b) redesenhando circuito
(a) e desconsiderando R1 e inserindo as fontes A.C.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998).
Analisando o circuito da figura 5.4b temos que o potencial Vi está em configuração
paralelo ao ramo 1 (Vi1 ) que contempla o resistor R1 e o sinal equivalente a V1 ;
também Vi está em configuração paralelo ao ramo 2 (Vi2 ) que contempla o resistor
de realimentação Rf e o sinal amplificado V0 . Lembrando que V0 = −Av × Vi , onde
o sinal negativo representa que Vi foi inserido na porta inversora (equação 5.1).
Fazendo uma análise por superposição para encontrar Vi que é a soma de Vi1 com
Vi2 , temos:
Vi 1 =
Rf
V1 ,
R1 + Rf
(5.3)
Vi 2 =
R1
V0
R1 + Rf
(5.4)
e
somando os dois termos (Vi1 e Vi2 ) para obter Vi e substituindo V0 = −Av Vi temos:
Vi =
Rf
V1
Rf + (1 + Av )R1
Se Av >> 1 e Av R1 >> Rf podemos reescrever a última equação como:
36
(5.5)
Vo = −
Rf
V1
R1
(5.6)
Com essa análise podemos concluir que o sinal de saı́da, V0 , depende apenas de R1
e a tensão aplicada nele V1 , pois o resistor de realimentação (Rf ) é constante.
Generalizando para i = 1, 2, 3..n teremos Vi e Ri . A configuração para essa função é
apresentada na figura 5.5a e o circuito equivalente na figura 5.5b:
Figura 5.5 - a) Circuito somador para n elementos, b) circuito equivalente A.C.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998).
Assim, a equação para um circuito com a função soma, da equação 5.6, para o caso
generalizado, podemos obter a equação:
Vo = −(
5.3
Rf
Rf
Rf
V1 +
V2 + ... +
Vn ),
R1
R2
Rn
(5.7)
Amplificador operacional com a função de integral
A função matemática de integração é obtida no âmbito da eletrônica por uma associação de um amp-op com um capacitor. O capacitor será o elemento de realimentação
do amp-op, conforme apresentado na figura 5.6.
Para analisar o circuito do amp-op integrador devemos substituı́-lo por um circuito
A.C. ideal, de modo análogo a função soma. O circuito é apresentado na figura 5.7.
Do circuito da figura 5.7 temos que Xc é a impedância capacitiva e é dada por
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998):
37
Figura 5.6 - Circuito com amp-op e capacitor formando a configuração da função de integral.
Figura 5.7 - Circuito A.C. equivalente com amp-op integrador.
Xc =
1
1
=
,
jωC
sC
(5.8)
em que C é a capacitância, ω é frequência e s é um operador de Laplace (s = ωj ).
Aplicando a lei de Ohm no circuito equivalente apresentado na figura 5.7 temos:
I = Vo XC = −sCVo
(5.9)
Usando a transforma inversa de Laplace (L−1 ) obteremos a equação que relaciona a
tensão de saı́da em função do tempo, isto é (BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998):
1
Vo = −
RC
Z
v1 (t)dt
(5.10)
Note que a função acima é obtida pela resolução da integral em função do tempo,
38
por isso, a configuração em que usa o capacitor como realimentador, é denominado
de amp-op integrador.
5.4
Amplificador operacional com a função derivável
Um amp-op diferenciador, ou derivável, possui a função matemática derivável em
relação ao tempo. O circuito, figura 5.8, apresenta a arquitetura para tal finalidade,
isto é, usa-se um capacitor C na entrada inversora e um resistor de realimentação
Rf .
Figura 5.8 - Circuito com amp-op diferenciador.
A relação de tensão de saı́da para tal configuração é apresentada a seguir
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 1998):
Vo = −RC
5.5
dV1 (t)
dt
(5.11)
Análise do sinal do canal de potência total
Para analisar o sinal que deverá ser somado no canal de potência total implementado
no Projeto GEM partiremos da seguinte análise:
- a radiação incidente na antena gera um sinal S;
- o sinal S passa pelo OMT que dividirá o sinal de forma ortogonal a dois circuitos
rádio-frequência, assim, o sinal em cada circuito será 12 S.
- o sinal 12 S passará pelos dois amplificadores (o primeiro em ambiente de baixa
temperatura e outro para temperatura ambiente), além do filtro, e será dividido
novamente pelo divisor (splitter), tornando-se igual a 14 S e este é o sinal na entrada
39
inversora do circuito somador apresentado na figura 5.9.
5.6
Análise do canal de potência total no sistema implementado
Conforme apresentado nas seções anteriores o arranjo dos componentes eletrônicos
com o amp-op determinará a função do circuito. Entre as funções apresentadas a
que melhor se adequa aos requisitos de um canal de potência total é o circuito da
configuração da função soma, descrito na primeira seção 5.2.
Usando o caso generalizado do circuito somador apresentado na figura 5.5 e admitindo V1 = 41 S e V2 = 41 S onde S é o sinal incidente na antena, R1 = R2 = Rf =
1kΩ, ou seja, ganho unitário e o C.I sendo um amp-op 407, usando a equação 5.7
temos:
Vo = −(V1 + V2 )
(5.12)
Assim, podemos observar que o resultado será negativo, logo se aplicarmos o sinal
resultante, V0 , em outro amp-op inversor, obteremos o valor da soma dos sinais com
valor positivo, pois o segundo amp-op inverterá o sinal negativo de V0 . O circuito
somador implantado no projeto GEM para obter o canal de potência total é apresentado na figura 5.9, ou seja, dois amp-op ligados em série com ganho unitário.
Figura 5.9 - Circuito somador implementado para obter o canal de potência total do projeto GEM.
40
5.7
Conclusão
Conclui-se que um amplificador operacional na configuração de circuito somador
(função soma) atende as necessidades da proposta de um canal de potência total,
conforme apresentado neste estudo. A escolha do amp-op 407 foi devido à disponibilidade desse dispositivo no Laboratório de Cosmologia do DAS/INPE.
41
6 SISTEMA DE VÁCUO E RESFRIAMENTO ATIVO
Nesse capı́tulo abordaremos os conceitos fundamentais da ciência e tecnologia de
vácuo, além dos parâmetros relevantes que avaliarão o dimensionamento do sistema
de vácuo preparado para a campanha observacional prevista para 2013.
6.1
Fundamentos
Atualmente sistemas de vácuo são usados em processos em que se deseja retirar
um gás de dentro de um recipiente (ROTH, 1994). Para tanto são usados uma ou
mais bombas acopladas, além de acessórios, tais como: tubulações, anéis de vedação,
flanges, conectores, válvulas e medidores de pressão.
Podemos classificar o tipo de vácuo desejado em função de pressão residual na
câmera, de acordo com a tabela 6.1 (GAMA, S., 2002).
Tabela 6.1 - Classificação da pressão residual (em torr)
Classificação em função da pressão (torr)
Baixo vácuo: 100 a 1
Médio vácuo: 10−1 a 10−3
Alto vácuo: 10−4 a 10−7
Ultra alto vácuo: 10−8 a 10−12
Fonte: (GAMA, S., 2002).
O sistema de vácuo do experimento GEM é composto por uma unidade de bombeamento contendo duas bombas (ADIXEX, 2007). A primeira bomba, mecânica, é a
bomba responsável por baixar a pressão em regime de médio vácuo (até 1×10−3 torr).
A segunda bomba é do tipo turbo-molecular responsável por baixar a pressão em
regime de alto vácuo (∼ 5, 4 × 10−5 torr). Além da unidade de bombeamento, o
sistema é composto por tubulação, válvula de acionamento manual (EDWARDS, ),
manômetro. O diagrama do sistema montado é apresentado na figura 6.1.
As bombas, mecânica e turbo-molecular, estão ligadas em séries e formam uma
unidade de bombeamento, apresentada na figura 6.2.
A operação do sistema constitui em fechar a válvula que está entre a câmara (vaso
criogênico) e a unidade de bombeamento. Em seguida ligar a bomba mecânica para
atingir condições de médio vácuo (1 × 10−3 torr). Ainda com a primeira bomba
43
Figura 6.1 - Diagrama de processo do sistema de vácuo, onde 1) unidade de bombeamento,
2) tubo sanfonado, 3) válvula angular flangeada de fechamento rápido, 4)
manômetro (PT = Pressure Transmissor), 5) tampão simples com solda, 6)
câmera (vaso criogênico) e o item 7 representa conexão flangeada KF-40 com
vedação de anel de viton e presilha.
Figura 6.2 - Unidade de bombeamento do sistema de vácuo para o projeto GEM, onde 1)
bomba mecânica de vácuo e 2) bomba turbo-molecular.
ligada, deve acionar a segunda bomba (turbo molecular) por meio de uma chave na
lateral da unidade de bombeamento. O próximo passo é abrir a válvula para criar
um ambiente de alto vácuo no interior da câmera.
Quando o sistema atinge a condição de alto vácuo (1 × 10−4 torr) é acionado o
cryocooler, que é um sistema de resfriamento ativo no interior da câmera de vácuo,
44
o cryocooler possui uma haste de cobre denominada de dedo frio e opera a 77 K
(SUNPOWER, 2005). A energia cinética das moléculas de ar próximas ao dedo frio
diminui e a pressão no interior do vaso tende a estabilizar-se próximo de 5, 4 × 10−6
torr.
6.2
Dedução de parâmetros fı́sicos do sistema de vácuo
A análise dos parâmetros fı́sicos e do dimensionamento de um sistema de vácuo é
de suma importância, devido ao grande gradiente de pressão (WUTZ et al., 1998). A
discussão dos parâmetros, a seguir, permitirá o entendimento do comportamento do
fluido de ar na tubulação e em especial na câmera de vácuo em que se encontra o
primeiro estágio de amplificação do experimento.
Iniciamos a análise definindo a velocidade de bombeamento (S) de um fluido que
passa em uma secção transversal (D) em uma tubulação com diâmetro interno (D),
conforme apresentado na figura 6.3.
Figura 6.3 - Diagrama de uma tubulação circular com secção transversal (vista AA) de
diâmetro D pela qual passa um fluxo de gás Q.
Vamos considerar que um volume de gás ∆V escoa durante um intervalo de tempo
∆t pela secção transversal D. Podemos definir a velocidade de bombeamento pela
equação:
S=
∆V
,
∆t
45
(6.1)
em que a unidade de S é L/s.
O fluxo de gás, ou vazão de massa de gás, é diretamente proporcional à velocidade
com que o gás é bombeado e à pressão exercida na secção transversal D. Assim, o
fluxo de gás é dado pela equação:
Q = P.S,
(6.2)
onde Q é dado em torr.L/s.
O fluxo de gás em uma tubulação implica que há uma diferença de pressão e que
o fluxo tem sentido da pressão maior para a menor. Se considerarmos duas secções
transversais, A e B, teremos duas pressões, PA e PB . Se PA ≥ PB o fluxo estará
orientado para o sentido da seção B. A vazão de massa, Q, é constante em qualquer
secção transversal da tubulação.
A grandeza que relaciona a facilidade de Q fluir da secção A para B é denominada
de condutância, apresentada a seguir:
CAB =
Q
,
P A − PB
(6.3)
em que a unidade de CAB é L/s.
Por definição a impedância é a inversa de CAB , assim definimos ZAB sendo:
ZAB =
1
CAB
(6.4)
A impedância está associada à dificuldade, ou resistência, que o sistema oferece à
passagem do fluido. Uma tubulação com diâmetro pequeno (capilar) oferece maior
resistência para uma tubulação com diâmetro maior e o mesmo se aplica para o
comprimento, ou seja, a impedância é maior para as tubulações longas.
Os conceitos abordados nessa seção foram aplicados experimentalmente durante
a limpeza do sistema de vácuo do projeto GEM no Laboratório de Plasma
(LAP/INPE). Ligamos o sistema de vácuo (exceto a unidade de bombeamento)
em uma bomba de classificação de ultra vácuo. Devido à impedância no sistema, a
46
pressão no manômetro da bomba de ultra vácuo fixou próxima de 3, 0 × 10−8 torr,
enquanto que o manômetro instalado na entrada do vaso criogênico, fixou próximo
de 2, 6 × 10−6 torr.
Outra caracterı́stica do sistema de vácuo do experimento GEM é que as conexões
e tubulação foram padronizadas com padrão KF-40, evitando assim variação no
escoamento e mantendo as grandezas CAB e ZAB é próximo de constantes ao longo
do sistema.
A pressão de trabalho desejada para operação do experimento é 5, 4 × 10−6 torr.
Testes em laboratório mostraram que a pressão na boca da bomba (PB ) não difere
muito da pressão medida na boca da câmera (PA ), ou seja, em média PA = 5, 4 ×
10−6 torr e PB ∼ 4, 4 × 10−6 torr.
Da equação 6.2 podemos encontrar, para SA e SB , respectivamente:
PA
1
=
SA
Q
(6.5)
1
PB
=
SB
Q
(6.6)
e
Subtraindo a equação 6.5 da equação 6.6, usando a equação 6.3, e isolando o termo
SA obtemos:
SA =
SB .CAB
SB + CAB
(6.7)
Analisando a última equação e fazendo a hipótese que CAB é muito maior que a
velocidade de bombeamento da bomba (SB ) (comparando as equações 6.3 e 6.2),
podemos deduzir que SB + CAB ∼ CAB ; usando essa hipótese na equação 6.7, teremos que:
SA ∼ SB
(6.8)
A aproximação da equação 6.8 é observada em testes de laboratório, conforme re47
latado, PA ∼ 5, 4 × 10−6 torr e PB ∼ 4, 4 × 10−6 torr, com isso podemos inferir que
a condutância para o experimento do sistema de vácuo do projeto GEM é alta, ou
seja, as conexões e tubulação não influenciam na velocidade de bombeamento.
Analisando o resultado acima, podemos considerar que a configuração atual apresentada é equivalente a ligar a bomba de vácuo diretamente na câmera de vácuo
(vaso criogênico).
O primeiro parâmetro que iremos analisar é o caminho livre médio por que durante
o movimento das moléculas de um gás (no nosso estudo, o ar), as moléculas sofrem
colisões entre si e também com a parede do receptor e a tubulação. A distância
percorrida por uma molécula do gás entre uma colisão e outra e de forma sucessiva,
é dada pela equação:
λ= √
kT
,
2πξ 2 P
(6.9)
em que k é a constante de Boltzmann, T temperatura K, P é a pressão torr e ξ é o
diâmetro médio da molécula (GAMA, S., 2002). Na equação, estamos considerando a
distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzmann dada por:
s
fv =
(2m3 ) 2 − mv2
v e 2kT
(π(kt)3 )
(6.10)
em que fv é a fração de moléculas com velocidades absolutas v, n é a densidade
molecular, m é a massa da molécula, T a temperatura, k a constante de Boltzmann
(GAMA, 2002).
Outro parâmetro que iremos analisar é o regime de escoamento do gás no sistema.
Há três possı́veis tipos de regime de escoamento: viscoso, intermediário e molecular.
O escoamento viscoso de um gás ocorre em regime de alta pressão; o número de
choques intermoleculares do gás é maior que o número de choques das moléculas
com a parede do vaso/tubulação. Isso ocorre porque o livre caminho médio é menor
em relação às dimensões que a câmera ou tubulação em que o gás encontra-se.
O escoamento intermediário ocorre quando o livre caminho médio das moléculas do
gás possui a mesma ordem de grandeza do recipiente em que o gás se encontra.
48
O escoamento molecular ocorre quando o caminho livre médio das moléculas do gás
é maior que as dimensões da câmera ou tubulação onde ele escoa.
O critério empı́rico para definir o regime de escoamento de um gás é calculado
pela equação de Knudsen, Nk , equação 6.11 (WHITE, 2007). Nk é um parâmetro
adimensional; para Nk > 110 o regime de escoamento é classificado como sendo
viscoso; para 100 > Nk < 1 o regime é classificado como sendo intermediário e para
Nk < 1 o regime de escoamento é classificado como molecular. Na equação a seguir,
D é o diâmetro da tubulação com unidade m.
Nk =
D
λ
(6.11)
Para o caso em que Nk > 1, ou seja, escoamento intermediário ou viscoso, precisamos
determinar se o mesmo é laminar ou turbulento. Essa caracterı́stica refere-se à direção da trajetória do fluido. O escoamento turbulento quando um fluido tem fortes
perturbações na forma de vórtices. Em geral, esse comportamento está presente em
um escoamento de alta velocidade. Já o escoamento viscoso laminar ocorre para
baixa velocidade e pode ser descrito pelos fundamentos da hidrodinâmica.
Para classificar esse tipo de escoamento, usa-se o critério de Reynolds Re (FORTUNA, 2000), também de dedução empı́rica e adimensional, sendo que Re ≤ 1100 o
escoamento laminar e Re ≥ 1100 turbulento.
Re =
4M Q
,
πRT Dη
(6.12)
em que M é a massa molar em gramas, Q é a vazão de massa (equação 6.2), T
a temperatura em K e R é a constante universal dos gases, D é o diâmetro da
tubulação cm e η é a viscosidade.
O próximo parâmetro que analisaremos refere-se ao dimensionamento do sistema de
vácuo. O sistema de vácuo do Projeto GEM possui dois estágios de vácuo, conforme
descrito no inı́cio da seção. O primeiro refere-se à pressão variando da ambiente para
1 × 10−3 torr; o segundo estágio refere-se à pressão variando de 1, 0 × 10−3 torr para
5, 4 × 10−5 torr.
A velocidade de bombeamento efetiva para o primeiro caso (pressão ambiente para
1, 0 × 10−3 torr) é dado por:
49
−
dx
Sef f
=
P,
dt
V
(6.13)
onde Sef f é a velocidade efetiva L.s−1 , V é o volume m3 e P é a pressão.
Integrando a equação 6.13 nos intervalos de pressão [1013 mbar a P ], onde 1013
mbar é a pressão atmosférica e P a pressão desejada e o tempo em [0, t] em que 0
representa o instante em que se inicia o bombeamento e t o tempo para alcançar a
pressão P , temos:
Sef f =
V
1013mbar
ln
t
P
(6.14)
Já para o segundo caso com a pressão variando 1, 0 × 10−3 torr para 5, 4 × 10−5 torr,
a velocidade de bombeamento efetiva é dado por:
Sef f =
ARD
,
P
(6.15)
onde A é a área da câmera de vácuo, RD é a taxa de dessorção mbar.L/s.m2 e P a
pressão.
Note que, em ambos os casos, Sef f é a velocidade de bombeamento na boca da
válvula, porém para gradientes de pressão diferentes. Substituindo a expressão da
equação 6.15 no termo Sb da equação 6.7, temos:
SA =
6.3
Sef f .CAB
Sef f + CAB
(6.16)
Análise dos parâmetros de vácuo aplicado no sistema implementado.
Nessa seção aplicaremos os pontos da discussão anterior à analise do sistema de vácuo
implementado no experimento GEM. A análise será dividida em duas subseções,
sendo a primeira para o vácuo primário (pressão varia da ambiente para 1, 0 ×
10−3 torr) e a segunda parte para o vácuo secundário (pressão varia de 1, 0×10−3 torr
para 5, 4 × 10−5 torr).
50
6.3.1
Vácuo primário
O primeiro parâmetro que calcularemos é o caminho livre médio (equação 6.9),
em que k=1, 38 × 10−23 J/K, T = 300 K, P= 1, 0 × 10−3 torr = 0,133 Pa, e ξ =
6, 1736 × 10−10 m1 .
kT
λ= √
= 0, 0183m ∼ 1, 83cm,
π 2ξ 2 P
(6.17)
O segundo parâmetro é o número de Knudsen, para determinar o tipo de escoamento.
No sistema implementado usamos o padrão de conexões e tubos o padrão KF-40 com
diâmetro interno igual a 4,1 cm. Assim:
Nk =
D
= 2, 24,
λ
(6.18)
de acordo com o critério apresentado na seção anterior, para Nk > 1 o regime de
escoamento é classificado como intermediário e por isso calcularemos o número de
Reynolds (Re ) para saber se o escoamento intermediário é laminar ou turbulento. Usando a equação 6.12 temos que Re = 3, 4 × 10−3 , i. e., o escoamento é intermediário
e laminar.
A velocidade efetiva, para o vácuo primário é calculado pela equação 6.14, onde V
é o volume (V = πr2 h = 0, 0565m3 ), t é o tempo estimado para atingir a pressão P ,
assim t = 0, 0667h e P é a pressão que deseja atingir, ou seja, P = 1 × 10−3 torr =
1, 33 × 10−3 mbar, note que foi incluı́do uma constante σ, σ = 2, 3, que é um fator de
dimensionamento para pressões baixas (quando há um gradiente de pressão), assim
a velocidade de escoamento é:
Sef f = σ
1013mbar
V
ln
= 26, 38m3 .h−1 = 7, 32L.s−1
t
P
(6.19)
A condutância, CAB , é calculado pela equação:
CAB = 12, 1 ×
D3
= 8, 34L.s−1 ,
L
1
(6.20)
Adotamos que o ar composto por 78% de Nitrogênio e 22% de Oxigênio. O diâmetro médio
molecular, raio de Van der Waals, para molécula de ar é 6, 1736 × 10−10 m.
51
onde D é o diâmetro e L é comprimento e 12,1 é uma constante m.s−1 para o ar
com temperatura de 296 K.
Para determinar a velocidade de bombeamento na entrada do vaso, usaremos a
equação 6.21, assim:
SA =
Sef f .CAB
= 3, 90L.s−1
Sef f + CAB
(6.21)
Para um sistema bem dimensionado os valores de SB e SA devem ser próximos conforme apresentado na equação 6.8. O valor de bombeamento na entrada da bomba
é uma informação técnica do fabricante. Consultando o manual da bomba encontramos o valor de SB = 7, 5L.s−1 .
Comparando os valores SB e SA , concluı́mos que o sistema implementado para o
primeiro estágio de vácuo está bem dimensionado, pois usa cerca de 52% do potencial
total de bombeamento da bomba mecânica.
6.3.2
Vácuo secundário
Analisaremos o segundo estágio de vácuo, ou seja, a pressão varia 1, 0 × 10−3 torr
para 5, 4 × 10−6 torr = 7, 19 × 10−4 P a. O primeiro passo será calcular o novo valor
do livre caminho médio (λ, equação 6.9), assim:
kT
= 3, 40m,
λ= √
2πξ 2 P
(6.22)
O segundo parâmetro que calcularemos será o número de Knudsen para determinar
o tipo de escoamento na região de alto vácuo, assim temos:
Nk =
D
= 0, 012
λ
(6.23)
De acordo com o critério apresentado na seção anterior, para Nk < 1 o regime de
escoamento é classificado como molecular e por isso não será necessário calcular o
número de Reynolds (Re ) (equação 6.12).
A velocidade efetiva, para o vácuo secundário, é calculado pela equação 6.15, onde
A é a área da câmera de vácuo (A = 2.πr2 = 0, 5654m2 ), RD é a taxa de dessorção
52
para o aço inox (constituição da parede da câmara de vácuo do experimento do
GEM), onde RD = 9, 33 × 10−4 mbarr.L/s.m2 ) e a pressão é P = 7, 19 × 10−6 mbar,
assim temos:
Sef f =
ARD
= 73, 27L.s−1 ,
P
(6.24)
A condutância, CAB , é calculada pela equação apresenta a seguir em que :
CAB = 12, 1 ×
D3
= 8, 34L.s−1 ,
L
(6.25)
Para determinar a velocidade de bombeamento na entrada do vaso, usaremos a
equação 6.21, assim:
SA =
Sef f .CAB
= 7, 48L.s−1
Sef f + CAB
(6.26)
O valor de bombeamento na entrada da bomba para o regime de alto vácuo, também informado no manual da bomba, é de SB = 30L.s−1 . O valor calculado da
velocidade de bombeamento na entrada da câmera é SA = 7, 48L.s−1 . Comparando
os valores SB e SA , concluı́mos que o sistema implementado no projeto GEM está
superdimensionado, pois usa apenas 24, 95% do potencial total de bombeamento da
bomba mecânica.
6.4
Conclusão do Estudo de Caso.
A discussão apresentada neste estudo de caso somada aos testes nos laboratórios do
INPE, mostraram que o sistema de vácuo implementado no projeto GEM atende à
demanda. Concluı́mos que para o vácuo primário o sistema implementado está bem
dimensionado, isto é, utiliza 52% da capacidade de bombeamento da bomba. Para
o vácuo secundário o sistema está superdimensionado, isto é, utiliza apenas 24, 95%
do potencial total de bombeamento da bomba mecânica. Tais resultados mostram
que o sistema de vácuo poderá ser utilizado em outros experimentos com câmeras
de vácuo maiores, por exemplo, o experimento em 10 GHz.
53
7 TESTES DE BANCADA
Neste capı́tulo apresentaremos os testes de bancada que foram realizados nas dependências do laboratório para determinar as caracterı́sticas fundamentais da nova
configuração do radiômetro. Os testes foram realizados no primeiro semestre de 2012
no Laboratório de Cosmologia da DAS/INPE.
7.1
Sistema de vácuo
O primeiro teste de bancada realizado foi o do sistema de vácuo que compreendeu
a geração de vácuo e o monitoramento da pressão no interior do vaso criogênico a
fim de verificar possı́veis vazamentos.
A metodologia do teste constituiu em ligar a bomba de vácuo, abrir a válvula entre
a bomba e o vaso criogênico, aguardar a queda de pressão no sistema até que a
mesma fosse inferior a 1, 0 × 10−4 torr e acionar o funcionamento do cryocooler mais
a ventoinha instalada sobre ele para promover a troca de calor. Com o cryocooler
ligado a pressão abaixa para um valor da ordem de 5, 6 × 10−6 torr e então fechamos
a válvula e desligamos a bomba de vácuo.
A primeira configuração testada é apresentada no diagrama de processo da figura
7.1, cuja simbologia está padronizada de acordo com norma da Instrumentation
Symbols and Identification ANSI/ISA-S5.1-1984, R1992. (ANSIISA, 1992).
Após o vácuo feito, a válvula linear mecânica roscada era fechada, a pressão no
interior do vaso criogênico aumentava indicando que havia vazamento. Por esse motivo enviamos o sistema ao Laboratório de Integração e Teste do INPE (LIT/INPE)
para identificar o local do vazamento. A equipe do o LIT/INPE usou o método de
detecção de vazamento de He (Leak Detection de He) e identificou o vazamento na
válvula linear roscada (válvula mecânica).
Após a identificação do vazamento, passamos a utilizar uma válvula de acionamento
angular flangeada de fechamento rápido mod. PV25MK da Edwards1 apresentada
na figura na 7.2a (EDWARDS, ). Para isso foi necessário fazer uma usinagem no vaso,
isto é, um tampão simples com solda de fusão e cordão de adição na tubulação onde
havia a rosca fêmea que conectava a válvula linear roscada conforme indicada na
figura 7.2b.
1
Válvula com ângulo 90o modelo PV25MK, Edwards, de acionamento manual por meio de
alavanca de ação rápida conectada a um pistão, bloco de alumı́nio e faixa de operação entre
8 × 10−10 - 1575torr (EDWARDS, ).
55
Figura 7.1 - Diagrama de processo da primeira configuração do sistema de vácuo, onde
1) bomba de vácuo, 2) tubo sanfonado (bellow), 3) válvula linear mecânica
roscada, 4) manômetro (PT = Pressure Transmissor) 5) ventoinha, 6)cryocooler, 7) sensor de temperatura (TT = Temperature Transmissor), 8) vaso
criogênico.
Figura 7.2 - a) válvula angular flangeada de fechamento rápido; b) vista lateral do vaso
criogênico na qual a seta indica a posição da usinagem e soldagem do tampão
simples na tubulação do vaso.
Realizamos novamente a metodologia descrita para monitoramento da pressão no interior do vaso e verificamos que ainda havia vazamento. Foram realizados novos testes
com o detector de He, porém dessa vez no Laboratório de Plasma (LAP/INPE). A
montagem do teste é apresentada na figura 7.3.
No LAP/INPE realizamos uma limpeza detalhada no interior do vaso criogênico,
56
Figura 7.3 - Teste realizado no LAP/INPE com o detector de He.
pois sujeira no interior e gordura na parede interna do vaso ou nos componentes
prejudicam a qualidade de vácuo. Por exemplo, moléculas de gordura, em geral, são
grandes e prendem moléculas de ar, dificultando o bombeamento e a redução da
pressão no interior da câmera (GAMA, S., 2002).
Todas as partes e ferramentas utilizadas (alicates, chaves, pinças e recipiente) foram
lavadas com detergente neutro. Em seguida limpamos a bancada com álcool isopropı́lico e cobrimos a região da bancada que receberia os componentes com flanela
de uso espacial, pois não soltam fiapos ou linhas de pano. Utilizamos luvas e ferramentas limpas, abrimos o vaso criogênico, soltamos os componentes eletrônicos e
tiramos os anéis de vedação.
Lavamos com detergente neutro as paredes no interior do vaso e os anéis de vedação;
com o auxı́lio de lente de aumento verificamos as superfı́cies dos anéis de vedação
para identificar possı́veis fissuras ou deformações.
Após a limpeza, fechamos o vaso criogênico e realizamos o teste com Leak Detect
para verificar as condições de operação.
Constatamos que havia um pequeno vazamento e aplicamos a técnica da atmosfera
de He em cada conector para identificá-lo2 . Foi trocado o anel que causava o vazamento e o problema foi resolvido. A figura 7.3 apresenta parte do teste realizado no
laboratório do LAP/INPE com o Leak Detect.
2
A técnica da atmosfera de He consiste em colocar um saco em torno de um conector e vedá-lo
dos demais componentes, em seguida injeta-se gás de hélio no interior do saco e aguarda-se por 5
minutos para verificar a presença de vestı́gio de He no conector isolado.
57
A configuração atual do sistema de vácuo é apresentada no diagrama de processo
da figura 7.4.
Figura 7.4 - Diagrama de processo da segunda configuração do sistema de vácuo, onde
1) unidade de bombeamento, 2) tubo sanfonado (bellow), 3) válvula angular
flangeada de fechamento rápido, 4) manômetro (PT = Pressure Transmissor),
5) ventoinha, 6)cryocooler, 7) sensor de temperatura (TT = Temperature
Transmissor), 8) vaso criogênico, 9) tampão simples com solda.
7.2
Sistema criogênico
O segundo teste de bancada realizado foi o de calibração da temperatura criogênica
cujo objetivo foi verificar se a leitura do sensor de temperatura instalado no interior
do vaso criogênico estava calibrada. Para tanto tomamos como referência o valor da
temperatura registrado pelo cryocooler3 (SUNPOWER, 2005).
A metodologia constituiu-se em analisar os valores registrados tanto pelo frame
de aquisição4 quanto pela comunicação USB do hiperterminal do Windows 5 . Os
resultados são apresentados no gráfico da figura 7.5 e concluiu-se que o sensor está
calibrado, após estabilização, com temperatura média do sensor igual a (76,6 ±
0,5)K.
3
Sensor de fábrica do cryocooler.
A coluna 10 do frame refere-se ao sensor de temperatura instalado sobre os amplificadores
primários.
5
A comunicação é feita via USB entre a placa eletrônica do fabricante do cryocooler e o computador de bancada (SUNPOWER, 2005).
4
58
Figura 7.5 - Curva de queda de temperatura no estágio criogênico.
7.3
Sistema de aquisição, leitura dos sensores e amplificadores
O terceiro teste de bancada teve como objetivo verificar a funcionalidade do sistema
de aquisição de dados. Foram feitas leituras dos sensores e dos amplificadores.
A metodologia foi ligar todo o aparato instrumental: ligar o sistema de vácuo, o
sistema de refrigeração (ventoinhas: do cryocooler, peltier e caixa de aquisição), o
sistema de aquisição (fonte, PC industrial, notebook de controle, fonte de ruı́do) e
aguardar estabilização da temperatura e em seguida iniciar a gravação do arquivo
.txt e analisá-lo.
A seguir são apresentados os resultados dos testes realizados durante 4 horas consecutivas na segunda semana de junho de 2012 no Laboratório de Cosmologia
DAS/INPE. Nos testes, a corneta do receptor foi preenchida com eccosorb a temperatura ambiente, ∼ 300 K, com a finalidade de gerar um sinal ∼ 3 K. Para análise foi
criada uma rotina (Anexo 1) usando a plataforma IDL (Interactive Data Language).
SINAL A
O sinal de saı́da do circuito da cadeia A, figura 7.6, apresenta flutuação em torno de
(-0,79 ± 0,06) V . Os pulsos de calibração em tempo real inserido pela fonte de ruı́do
(no OMT) são nitidamente observados no gráfico e possuem picos simétricos com
intensidades diferentes devido as posições dos injetores de ruı́do estarem separados
59
por um ângulo de 30o entre si.
Figura 7.6 - Sinal A e média do sinal (reta azul) da série temporal com 5000 pontos experimentais.
SINAL B
O sinal de saı́da do circuito da cadeia B, figura 7.7, apresenta flutuação em torno de
(+1,63 ± 0,08) V.
Figura 7.7 - Sinal B e média do sinal (reta azul) da série temporal com 5000 pontos experimentais.
Na figura 7.8 são mostrados ambos sinais.
60
Figura 7.8 - Comparação entre os sinais A (em preto) e B (em azul).
POTÊNCIA TOTAL
O sinal de potência total, figura 7.9, apresenta flutuação em torno do valor de (-1,20
± 0,02 ) V.
Figura 7.9 - Sinal de potência total da série temporal com 5000 pontos experimentais.
SENSOR DE TEMPERATURA
A temperatura no interior do vaso criogênico e sobre os amplificadores do primeiro
estágio são apresentados na figura 7.10. O valor da temperatura média do sensor é
de (+74,63 ± 0,55) K.
61
Figura 7.10 - Medidas da temperatura do diodo criogênico e média da temperatura (linha
azul) ao longo de toda a série temporal que te 5000 pontos experimentais.
BLOCO DE ELETRÔNICA
A temperatura no bloco da eletrônica é medida por dois sensores, um na face A
(referente à face em que os componentes do circuito A está presente) e outro na
face B (referente à face em que os componentes do circuito B está presente). As
temperaturas são apresentadas na figura 7.11 sendo que a temperatura média da
face A é de (+22,69 ± 0,09) o C e na face B é (+23,37 ± 0,09) o C.
Figura 7.11 - Temperatura do bloco de eletrônica, face A (em preto) e B (em azul), da
série temporal com 5000 pontos experimentais.
62
8 TRABALHO DE CAMPO
Neste capı́tulo apresentaremos os procedimentos e adaptações realizadas na antena
do projeto GEM situada no campus do INPE em Cachoeira Paulista/SP, para operar
o receptor apresentado neste trabalho. O objetivo geral do capı́tulo é documentar o
processo, passo-a-passo, da montagem experimental na antena.
8.1
Revisão do radiotelescópio
Foram realizadas duas atividades antes de instalar o receptor na antena: limpeza da
antena e revisão elétrica na sala de controle.
A primeira atividade realizada em campo foi lavar a parábola e a estrutura de sustentação, com a finalidade de melhorar as condições de trabalho, pois a mesma estava
demasiadamente suja. Sobre a parábola havia uma crosta de poeira que poderia
mudar as propriedades fı́sicas de reflexão da parábola, já que a área refletora estava
encoberta de sujeira (MACHADO, 2010).
Os materiais utilizados para a limpeza foram: espanador liso retangular, flanela,
sabão lı́quido neutro, água abundante e lavadora de alta pressão.
Tiramos o excesso de poeira e sujeira sobre a parábola com a lavadora de alta pressão,
em seguida prepararamos uma solução com água e sabão neutro para ensaboar
e esfregar a parábola com o espanador liso e posteriormente enxaguando-a com
água abundante. Tivemos o cuidado de não riscar a parábola ou amassar os painéis
extensores (estes são mais frágeis, pois a estrutura sob eles é mais espaçada do que a
da parábola principal, devido à estrutura mecânica de suporte da antena ser radial).
A figura 8.1 apresenta quatro etapas do processo de limpeza.
A segunda atividade realizada em Cachoeira Paulista foi a revisão elétrica do prédio
de controle (telemetria). Esta atividade foi fundamental, pois a sala de controle
não é de uso exclusivo do projeto GEM. A revisão elétrica constituiu em identificar
a fiação provinda do quadro de distribuição de energia elétrica, os cabos de fase,
neutro e terra1 além da instalação de duas tomadas (110 e 220 V) que serviram de
alimentação para o gabinete de disjuntor que alimenta a antena.
O gabinete de disjuntores é constituı́do de 4 elementos fundamentais: alimentação
1
Os pinos do conector de energia elétrica da caixa de aquisição não possuem posição aleatória e
sim ordenada, justificando a necessidade de revisar a fiação elétrica e o posicionamento dos pinos
sendo eles: fase, neutro e terra.
63
Figura 8.1 - Quatro momentos da limpeza da antena no INPE em Cachoeira Paulista.
do motor de azimute, motor de elevação, caixa de aquisição e o cabo de comunicação
(protocolo comunicação serial RS232) com notebook de controle (figura 8.2). Não há
ordem preferencial em ligar os disjuntores. O acionamento dos mesmos não implica
no movimento imediato da antena (para o caso dos motores), pois o acionamento é
por meio de botões situados na caixa de motores na base da antena.
Figura 8.2 - Imagem da caixa da disjuntores onde: 1) conexão serial RS232, 2) disjuntor
de alimentação do motor de azimute, 3) disjuntor de alimentação do motor
de elevação, 4) disjuntor de alimentação da caixa de aquisição.
64
Na base da antena estão posicionados os motores de azimute e elevação. Realizamos
uma avaliação qualitativa desses motores, identificamos um mal funcionamento do
motor elétrico de azimute e solicitamos a troca do mesmo. Também foi identificado
um ruı́do excessivo na caixa de engrenagem do motor de azimute e a solução foi
completar a caixa com óleo lubrificante. Outra melhoria foi a usinagem de uma luva
de acrı́lico para a manivela do motor de elevação para ajustes finos.
8.2
Montagem do aparato instrumental
Nesta seção descreveremos a montagem do aparato instrumental dividida em três
partes: externa (sobre a parábola), interna (dentro do hub) e inferior (base da antena).
8.2.1
Montagem do aparato instrumental
O hub (figura 8.3) é o espaço fı́sico situado no centro da antena sob a parábola
principal. Nele serão instalados o OMT, o receptor e o vaso criogênico.
Figura 8.3 - a) projeto do hub com receptor e braço/base da antena; b) estrutura da antena
e no centro da dela o hub.
O hub é formando por um cilindro de diâmetro de 110 x 90 cm. As dimensões internas
do hub são limitadas, tornando o trabalho árduo e cuidadoso no ato da instalação
e manutenção do receptor para que não danificar os conectores e componentes do
radiômetro.
O primeiro item instalado no interior do hub foi o adaptador para receptor (banco de
65
alumı́nio fixado no eixo de sustentação da antena). Nele há dois orifı́cios separados
por uma abertura angular de 22o . Os orifı́cios servem para fixar e orientar o receptor
(também há um pino com rosca que serve para fixação, porém não como referência).
Dos dois orifı́cios apenas um é usado durante a observação e a escolha deste é definida
pelo parâmetro de Stokes, Q ou U, que se deseja medir (figura 8.4).
Figura 8.4 - Imagem do interior do hub com o banco de alumı́nio (adaptador) fixado no
eixo central da antena. A seta vermelha indica o pino de referência escolhido
para esta configuração e a seta azul indica o pino central com rosca responsável
pela fixação do receptor no banco.
Após a fixação do adaptador, instalamos o receptor e o vaso criogênico. Devido à
limitação de espaço fı́sico no interior do hub o receptor e o vaso criogênico foram
instalados pela abertura de cima da parábola principal.
O procedimento adotado foi levar o receptor e o vaso (separadamente) até o centro
da parábola em seguida elevar a antena na direção do zênite. Uma pessoa sobre a
parábola desceu o receptor para o interior do hub e outra pessoa, no chão e dentro
do hub, guiou o receptor e fixou-o com o pino de fixação e o pino de orientação. O
mesmo processo foi feito para a instalação do vaso criogênico, isto é, uma pessoa
sobre a parábola desceu o vaso e outra (no chão) guiou e fixou o vaso criogênico no
receptor.
Os cabos (de energia, dos sinais e de comunicação) e as conexões do sistema de vácuo
só foram instalados depois que os dois processos descritos a seguir foram realizados.
66
8.2.2
Procedimentos externos
Os procedimentos externos sobre a parábola implicam em instalar a tampa de encaixe sobre a abertura da antena, a corneta e o tripé com o sub-refletor.
A tampa de encaixe possui três engates rápidos (figura 8.5a) e que devem ser centralizados e apertados nos canais da flange existente no centro da parábola. A tampa
possui um cilindro sobressalente de 15 × 24 cm orientado para fora da parábola com
um furo vazado de (13,7 ±0,1) cm de diâmetro.
A corneta é constituı́da de três partes sendo que a menor possui diâmetro externo de
(13,7 ± 0,1) cm, exatamente o diâmetro do furo vazado do cilindro sobressalente da
tampa. Assim, a base da antena encaixa-se no furo vazado da tampa (figura 8.5b).
Figura 8.5 - a) tampa de encaixe e as setas indicam a posição dos pinos de engate rápido;
b) parte da corneta com cilindro sobressalente e corneta.
Uma medida preventiva para evitar a entrada de água na tampa e a flange no centro
da antena foi vedar ambas. Usamos graxa do tipo pasta azul (feita de sabão de lı́tio
e óleo mineral) e silicone para vedar a parte externa com a interna do hub, evitando
a infiltração de água na eletrônica que está no interior do hub.
Por fim, na parte externa foi instalado o tripé com o sub-refletor. O procedimento
foi por o tripé e sub-refletor sobre a antena e em seguida erguê-la apontando para o
zênite, assim, três pessoas guiaram o tripé nos pinos para fixação e outra pessoa, no
chão, controlando a caixa de motores.
67
Notou-se a necessidade de uma tampa para a corneta, transparente em 5 GHz, para
evitar que a sujeira suspensa no ar caia dentro da corneta.
8.2.3
Procedimentos na base da antena
Sobre o braço da antena foram instaladas as caixas de motores e de aquisição, além
da caixa de alimentação do cooler, do cryocooler e a unidade de bombeamento (figura
8.6).
Figura 8.6 - Arranjo instrumental na base da antena
Por fim, foram ligados os cabos de energia, o sistema de vácuo e a fonte de ruı́do no
OMT.
8.3
Teste de calibração na antena
Nesta seção serão apresentados os resultados dos testes realizados em campo. Os
testes foram realizados para averiguar o funcionamento do radiômetro, da comunicação via cabo subterrâneo entre a antena e sala de controle, do sistema de segurança
contra queda de energia com a chave contatora instalada na fonte de alimentação do
cryocooler e comparar os sinais dos receptores instalados na antena com os resultados
obtidos no laboratório.
O procedimento foi preencher a corneta com ecossorb para manter o mesmo sinal de
entrada dos testes realizados no laboratório. Ligou-se todo o aparato instrumental
e aguardou-se a temperatura estabilizar e em seguida foi iniciada a gravação dos
dados cujos os resultados são apresentados a seguir.
68
SINAL A
O sinal de saı́da A (figura 8.7) apresenta a média das flutuação em torno de (+0,76
± 0,03) V.
Figura 8.7 - Sinal A, em Volts, com 500 integrações.
Comparando com o resultado obtido em laboratório há uma variação de (0,03 ±
0,01) V (figura 7.6) que pode ser devido às diferentes condições de trabalho, em
especial, temperatura ambiente. O resultado mostra que houve a inversão de sinal (para +) que indica que o sistema de referência em campo foi diferente do laboratório.
SINAL B
O sinal de saı́da da cadeia B (figura 7.7) apresenta flutuação em torno do valor (-0,08
± 0,01) V.
Comparando com o sinal da figura 7.7, nota-se que houve grande diferença que foi
devida ao mal contato do cabo BNC entre a saı́da do sinal e entrada do receptor e
também falha em dois pinos, 7 e 8, do cabo com conexão militar que faz comunicação
entre a antena e sala de controle.
TEMPERATURA CRIOGÊNICA
Os valores de temperatura do sensor (no interior do vaso criogênico) localizado sobre
os amplificadores do primeiro estágio são apresentados na figura 8.9. O valor médio
da temperatura é de (64,98 ± 1,32) K.
69
Figura 8.8 - Sinal B, em Volts, com 500 integrações.
Figura 8.9 - Temperatura do sensor criogênico.
TEMPERATURA DO BLOCO DE ELETRÔNICA
As temperaturas no bloco da eletrônica (faces A e B) são, respectivamente, de
(+22,50 ± 0,11) Co e (23,19 ± 0,10) Co (figura 8.10).
8.4
Operação do projeto em campo
Nessa seção apresentaremos a rotina de operação de todo aparato experimental
(figura 8.11). Essa sequência é a forma mais eficiente para iniciar a operação na
antena, evitando assim, erro no reconhecimento do GPS, no envio dos frames para
notebook de controle e os procedimentos que devem ser feitos para o bom funciona-
70
Figura 8.10 - Temperaturas no bloco de eletrônica, face A (em preto) e face B (em azul).
mento do sistema de vácuo e resfriamento.
Os procedimentos básicos tais como: ligar a caixa de disjuntores, descobrir a abertura
da antena, ajustar a elevação e o pino de segurança são as atividades corriqueiras
dessa e campanhas anteriores.
A diferença operacional inicia a partir dos pontos básicos citados acima, isto é,
ligar a bomba de vácuo, abrir a válvula no vaso criogênico e monitorar a pressão
até a mesma atingir valor a 1, 0 × 10−4 torr. Em condições normais de pressão e
temperatura no interior do vaso, o tempo, em média, para a pressão chegar a 1, 0 ×
10−4 torr é de 7 minutos.
Após a pressão ser inferior ao valor estipulado acima, ligamos a ventoinha situada
sobre o cryocooler e acionamos o cryocooler até a temperatura ser próxima de 77 K
e pressão de 5, 4 × 10−4 torr. Em seguida fechamos a válvula manual de acionamento
rápido entre o vaso criogênico e a bomba e desligamos a bomba.
Também ligamos a caixa de resfriamento (cooler) que tem o objetivo de ventilar no
interior do receptor. Em seguida ligamos o computador que está no interior da caixa
de aquisição e o GPS e por fim ligamos às fontes de alimentação do circuito RF.
Outros procedimentos corriqueiros são: ligar o motor de azimute, fechar a porta dos
painéis em torno da antena, ligar o notebook de controle, estabelecer a comunicação
entre antena e o LabView (software instalado no notebook).
71
Figura 8.11 - Diagrama de blocos para operação da nova configuração do experimento
GEM em campo.
Com o LabView em execução, ligamos o receiver e o heater . Na tela do LabView
acompanhamos a curva de temperatura do cryocooler até ela se estabilizar e em
seguida iniciamos a gravação do arquivo de dados (.txt).
8.5
Análise dos dados pelo LabView e IDL
Conforme descrito na seção anterior, após ligar todo o instrumento temos a gravação
de dados.
A análise simultânea dos dados pode ser feita na tela do LabView, figura 8.12.
A partir da gravação dos dados foi desenvolvido um algoritmo em IDL para a redução de dador. Este analisa diretamente o banco de dados selecionado. A lógica de
programação de tal algoritmo é apresentado no diagrama de bloco apresentado na
figura 8.13.
72
Figura 8.12 - Acompanhamento simultâneo dos dados via LabView.
Figura 8.13 - Algoritmo desenvolvido em IDL para redução de dados do experimento
GEM.
73
9 RESULTADOS.
Os resultados obtidos nesse trabalho referem-se as implantações dos objetivos iniciais
propostos que foram: implementação do canal de potência total, implementação do
sistema de refrigeração ativa (cryocooler) e a implementação do sistema de vácuo.
Conforme apresentado no sstudo de caso referente à potência total (capı́tulo 5)
mostrou-se que a implementação foi satisfatória conforme apresentado na figura 7.9.
Outro teste para validar a implementação do canal foi o teste com carga fria. A
metodologia constituiu em usar uma carga de 50 Ω mergulhada em um recipiente
com nitrogênio liquido e ligá-la à entrada do OMT para geração de dados. Analisando
os dados, esperava-se obter temperatura próxima de 77 K (temperatura do nitrogênio
liquido). O resultado obtido pela análise de dados mostrou que a temperatura média
do canal de potência total, com série temporal de 5 minutos, foi de 78,52 K, ou seja,
próximo do esperado.
O resultado da implementação do sistema de vácuo também foi satisfatório,
podendo-se destacar o dimensionamento apresentado no capı́tulo 6 em que foi
mostrado que o sistema implementado atende as demandas do projeto e que também foram identificados e solucionados os vazamentos apresentados pelo sistema
(capı́tulo 7).
Para o sistema de refrigeração ativa (cryocooler) os resultados também mostraram-se
satisfatórios, pois a temperatura no interior do vaso criogênico manteve-se constante
durante os testes realizados no laboratório (figura 7.10) e em campo (figura 8.9).
75
10 DISCUSSÃO
Neste capı́tulo apresentaremos as discussões relevantes levantadas durante o desenvolvimento desse trabalho.
As dificuldades para a implementação do sistema de vácuo, em grande parte, foram
sanar os vazamentos. A detecção do vazamento é feita com um detector de He,
portanto é de suma importância ter esse detector na DAS/INPE, devido às diversas
atividades que envolvem criogenia.
Como foi relatado, utilizamos os detectores de He do LIT/INPE e do LAP/INPE.
Devido a diversos compromissos do LIT/INPE e LAP/INPE, nem sempre foi possı́vel
usar os detectores de He para realizar testes com o nosso sistema. Isso causou um
atraso e inviabilidade do ı́nicio das observações em 2012.
Realizamos um levantamento dos componentes fundamentais para operação de
uma campanha observacional com a nova configuração, os itens fundamentais são:
unidade de bombeamento, cryocooler, motor de azimute e elevação, computador
industrial, gps e estação meteorológica.
A importância de ter esses componentes a disposição durante a próxima campanha
observacional é garantir, caso necessário, a manutenção e reposição de alguns componentes que possam apresentar defeitos, minimizando assim o tempo de manutenção
e maximizando o tempo de observação.
Um ponto de discussão relevante é a automação do projeto para que o mesmo possa
ser operado remotamente. A importância para tal, é operar em lugar mais longı́nquos que Cachoeira Paulista-SP, como exemplo, na Estação Comandante Ferraz, na
Antártica, ou em outro campo de observação, além de permitir interação entre os
diversos membros do projeto que não se encontram em São José dos Campos.
77
11 CONCLUSÕES.
Com os resultados apresentados e as implementações realizadas, podemos concluir
que os objetivos iniciais da dissertação foram alcançados, i. e., 1) sistema de vácuo,
2) sistema de refrigeração ativa e 3) canal de potência total, porém não foram feitas
observações astrofı́sicas devido ao atraso para sanar vazamento no sistema de vácuo,
lembrando que o detector de He (método para detectar vazamento) não possuı́mos
e por isso dependı́amos de outros laboratórios do INPE.
O sistema de refrigeração ativa permitirá uma qualidade maior nos dados e eficiência
na campanha, pois a temperatura dos amplificadores do primeiro estágio tornou-se
praticamente constante durante a operação evitando os gradientes de temperaturas
que prejudicaram a primeira campanha realizada por (FERREIRA, 2009a).
Assim, a perspectiva futura é operar a antena, full time, com as implementações
descritas durante a campanha observacional prevista para 2013 (abril a outrubo).
79
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